指示使用准备就绪的激光传感器模块的制作方法

本发明涉及一种指示使用准备就绪的激光传感器模块以及一种包括所述激光传感器模块的颗粒检测器或移动通信装置。本发明还涉及一种测试激光传感器模块使用准备就绪的方法和一种相应的计算机程序产品。

背景技术：

de102015207289a1公开了一种颗粒传感器设备，所述颗粒传感器设备具有：光发射器装置，所述光发射器装置被构造为能够发射光辐射，使得其中可能存在至少一个颗粒的体积至少部分是可被照明的；具有至少一个检测表面的光学检测器装置，所述检测表面被光学辐射的在至少一个颗粒处散射的至少一部分光辐射撞击，关于撞击至少一个检测表面的光辐射的强度和/或强度分布的至少一个信息信号是可显示的；以及分析评估装置，利用所述分析评估装置，关于颗粒的存在、颗粒的数量、颗粒密度和/或颗粒的至少一个性质的信息条目是可识别和可显示的，颗粒传感器设备还包括至少一个透镜元件，所述透镜元件设置为使得发射的光辐射是可聚焦到体积内的聚焦区域上的。

us4871251a公开了一种用于分析流态介质中包含的颗粒的设备。该设备具有包括窗的主体、包括激光二极管的光源以及用于将来自激光二极管的光聚焦在焦点处的光学系统。光电检测器安装在主体中并且检测通过流态介质中的颗粒从焦点向后散射的光。

jp2007-022877a公开了一种使用光声技术来控制沉积的沉淀玻璃颗粒层的厚度的玻璃颗粒沉积方法。

wo91/10123a1公开了一种颗粒检测装置和方法，其中，激光施加在被介质穿过的通道的侧面上。激光横跨通道穿过。通道内的颗粒使激光偏转，从而产生前向定向的光锥。光锥折射到通道外部，然后撞击光环的形式的检测器板。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有提高的可靠性的激光传感器模块。本发明通过独立权利要求限定。以下提供的从属权利要求和说明书限定有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种激光传感器模块，激光传感器模块用于测量流体中的尺寸小于20μm、优选地小于10μm的颗粒的颗粒密度。激光传感器模块可以特别适合于测量尺寸在0.05μm至10μm之间、优选地在0.1μm至2.5μm之间(例如，pm2.5)的颗粒的颗粒密度。激光传感器模块包括激光器、检测器和用于将激光束聚焦到聚焦区域的光学布置结构。激光器布置为能够通过光学布置结构或经由光学布置结构将激光束发射到聚焦区域，其中，光学布置结构包括发射窗。检测器布置为能够确定干涉信号。干涉信号优选地是激光器的激光器腔内的光波的自混合干涉信号。干涉信号或自混合干涉信号可以通过被颗粒中的至少一个反射的激光束的激光产生。激光传感器模块布置为能够基于在发射窗的机械激发期间确定的干涉信号或自混合干涉信号提供发射窗的污物的指示信号。激光传感器模块可以包括两个、三个、四个或更多个激光器和相应的检测器。通过不同的激光器发射的激光束优选地相对于彼此倾斜。

发射窗与激光器和/或检测器和/或光学布置结构的至少一部分机械地分离，使得发射窗能够相对于激光器和/或检测器和/或光学布置结构的至少一部分相对运动。由于在污物通过机械激发引起的相对于激光传感器模块的检测部分(激光器、检测器)的限定的相对运动期间通过污物反射的激光引起干涉信号或自混合干涉信号，因此机械分离使得能够检测污物。

实验表明，基于干涉、特别是自混合干涉测量的借助于激光传感器模块的对颗粒密度的检测对于激光束发射所通过的发射窗的污物是敏感的。发射窗的污物或污染会降低发射的激光和反射回的激光的强度(引起两倍的相应传输损耗)。此外，污染也会影响光斑质量。两种影响会导致检测的颗粒浓度的不期望的降低。发射窗的污物或污染使得激光散射。该散射的激光的一部分将被反射回到例如相应激光器的激光器腔中。污染越多，越多的激光将被朝向激光器腔反射。该反射的激光将仅产生激光输出的微小dc功率变化，这也取决于反射的激光相对于激光器腔中的驻波图案的相位差。因此，来自污染或污物的散射光不能直接用于使用干涉或自混合干涉来检测污物。实验表明，如果发射窗相对于激光器移动，则反射的激光的路径长度将发生变化。这些路径长度的变化将在可以以高灵敏度被检测的干涉或自混合干涉信号中产生多普勒信号。发射窗的位移可以相对小。针对窗在竖直方向上的运动方向的多普勒频率通过下式给出：

其中，v为速度，λ为波长，α为光束相对于窗的法线的角度。作为一个示例，对于1cm/s的速度获得20khz多普勒频率。该频率可以被很好地检测到。进一步的实验表明，检测的多普勒频率的信号强度取决于发射窗的污物。因此，如果在发射窗的机械激发期间确定干涉信号或自混合干涉信号，则可以获得被移动的发射窗上的污物引起的定量指示信号。在机械激励器已经可用的应用、例如移动通信装置(振动警报、扬声器等)中，自混合干涉信号特别令人感兴趣。机械激励器可用于提供发射窗(例如，移动通信装置的盖玻璃)的限定的机械激发，所述限定的机械激发可以用于确定发射窗的污物或污染。定量指示信号可用于通知激光传感器模块的用户关于由于发射窗的污物导致激光传感器模块没有准备好使用(检测的颗粒密度的可靠性降低)和/或测量结果可根据发射窗的污物的水平进行校正。补偿或校正可以与计数率(每时间单位的颗粒数量)和/或颗粒大小有关。

干涉信号特别地可以是如上所述的自混合干涉信号。激光传感器模块可以包括分析评估器。分析评估器布置为能够基于在发射窗的机械激发期间确定的自混合干涉信号来确定发射窗的污物。激光传感器模块布置为能够在确定发射窗的污物之后生成发射窗的污物的指示信号。

指示信号(例如，通过检测器或分析评估器产生的指示信号)可以使得能够确定对发射窗的污染的定量测量。激光传感器模块可以被布置为能够基于所确定的污物的定量测量来校正测量的颗粒密度。发射窗的污物的定量测量可以使得能够确定由于激光的散射而导致的相应的传输损耗。因此，颗粒密度的确定可以基于发射的激光和反射的激光的减小的强度来计算。

机械激发可以手动地(例如，摇动激光传感器模块或用手指敲击)或借助于机械激励器来提供。

激光传感器模块可以例如包括这样的机械激励器。机械激励器布置为能够在接收到激发控制信号时机械地激发发射窗。机械激励器可以布置为能够提供整个激光传感器模块的机械激发或发射窗的局部机械激发(例如，借助于小型压电致动器来激发)。

激光传感器模块可以包括接口。激光传感器模块布置为能够经由接口接收激发控制信号。接口可以是有线接口或无线接口。激发控制信号可以例如通过外部装置或包括激光传感器模块的装置提供。

激光传感器模块可以替代地或附加地布置为能够产生激发控制信号。分析评估器可以例如包括相应的控制功能，或者激光传感器模块可以包括专用控制器，以产生激发控制信号。

光学布置结构可以包括用于将激光束聚焦到聚焦区域的光学装置。光学装置的一个表面可以包括发射窗。发射窗可以例如是透镜的外表面。发射窗可以替代地与光学装置(例如，覆盖光学装置的盖玻璃)物理上分开。

装置、例如颗粒检测器、空气清洁器、通风罩或可穿戴装置、例如移动通信装置等可包括根据上述任何实施例的激光传感器模块。装置可以包括指示器。指示器布置为能够基于指示信号向装置的用户提供污物的指示。指示器可以包括适合于通知用户的任何类型的接口。指示器可以例如包括扬声器或显示器。指示器可以例如是移动通信装置的显示器。指示器可以例如基于指示信号向用户呈现校正的颗粒密度，其中，根据发射窗的污物的水平，校正的颗粒密度可以例如被染色成绿色(无相关污物)、黄色或红色(严重污物)。指示器可以替代地是指示发射窗被严重污染或污染的视觉信号、听觉信号或触觉信号。

例如，空气清洁器或通风罩的电动机可以用作机械激励器(例如，以预定的时间间隔开启和关闭，或者以预定的时间间隔改变相应电动机的功率设置)。

装置可以布置为能够启动发射窗的机械激发。触觉反馈发生器、振动警报器、扬声器等可以用于启动机械激发。装置可以按规则的时间间隔或每次打开颗粒检测功能时启动机械激发。

装置可以布置为能够基于在发射窗的机械激发期间确定的干涉信号或自混合干涉信号来确定发射窗的污物。借助于检测器测量的原始数据可以经由接口传输到装置。装置可以特别地布置为能够基于指示信号确定发射窗的污物的定量测量。装置还可以布置为能够基于如上所述的确定的污物的定量测量来校正测量的颗粒密度。装置可以包括分析评估器，以基于通过激光传感器模块提供的原始数据来确定定量测量。

根据另一方面，提出一种测试激光传感器模块的发射窗的污物的方法，所述激光传感器模块用于测量流体中的尺寸小于20μm、优选地小于10μm的颗粒的颗粒密度。所述方法包括以下步骤：

通过发射窗将激光束发射到聚焦区域，

在激光束的发射期间机械地激发发射窗以用于确定污物，

在发射窗的机械激发期间确定干涉信号。

所述方法可以包括以下附加步骤：

基于在发射窗的机械激发期间确定的自混合干涉信号，提供发射窗的污物的指示信号。

根据另一方面，提出一种计算机程序产品。所述计算机程序产品包括代码工具，代码工具可以保存在激光传感器模块的至少一个存储装置上或保存在包括激光传感器模块的装置的至少一个存储装置上。代码工具布置为使得根据上述实施例的方法可以借助于激光传感器模块的至少一个处理装置或借助于包括激光传感器模块的装置的至少一个处理装置来执行。

存储装置或处理装置可以被激光传感器模块(例如，电驱动器、分析评估器等)或包括激光传感器模块的装置所包括。包括颗粒检测器的装置的第一存储装置和/或第一处理装置可以与被激光传感器模块所包括的第二存储装置和/或第二处理装置交互。

存储装置可以是被布置为能够存储信息、特别是数字信息的任何物理装置。存储装置可以特别地从组固态存储器或光学存储器中选择。

处理装置可以是被布置为能够执行数据处理、特别是数字数据的处理的任何物理装置。处理装置可以特别地从组处理器、微处理器或专用集成电路(asic：application-specificintegratedcircuit)中选择。

应当理解，根据权利要求1至5中的任一项或上面提供的描述中的激光传感器模块和权利要求13和14的方法具有相似和/或相同的实施例。

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意组合。

下面定义其他有利的实施例。

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得到阐明。

附图说明

在附图中：

图1示出了激光传感器模块的第一实施例的原理简图。

图2示出了激光传感器模块的第二实施例的原理简图。

图3示出了第一测量结果。

图4示出了第二测量结果。

图5示出了第三测量结果。

图6示出了第四测量结果。

图7示出了移动通信装置的原理简图。

图8示出了测试激光传感器模块的发射窗的污物的方法的原理简图。

在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象不必然按比例绘制。

具体实施方式

现将借助于附图描述本发明的各种实施例。

自混合干涉用于检测物体的运动和到物体的距离。关于自混合干涉的背景信息在通过引用合并于此的journalofopticsa：pureandappliedoptics，2002，4，s.283-s.294的laserdiodeself-mixingtechniqueforsensingapplications的giuliani，g.；norgia，m；donati，s.&bosch，t.的“laserdiodeself-mixingtechniqueforsensingapplications”中描述。对指尖相对于光学输入装置中的传感器的运动的检测在通过引用合并于此的第wo02/37410号国际专利申请中详细描述。自混合干涉的原理基于第wo02/37410号国际专利申请中提出的示例来讨论。提供具有激光器腔的二极管激光器，以用于发射激光或测量光束。该装置在其上侧处设置有透明窗，物体、例如人的手指跨所述透明窗运动。透镜布置在二极管激光器与窗之间。该透镜将激光束聚焦在透明窗的上侧处或上侧附近。如果在此位置存在物体，则其使测量光束散射。测量光束的辐射的一部分散射在照明光束的方向上，并且该部分被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的腔的辐射引起激光器增益的变化，从而引起通过激光器发射的辐射强度的变化，并且这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。

通过激光器腔中的激光或光波发射的辐射强度的改变可以通过光电二极管或检测器来检测，所述光电二极管或检测器被布置为能够确定跨激光器腔的阻抗变化。二极管或阻抗检测器将辐射变化转换为电信号，并且设置电子电路，以用于处理该电信号。

在颗粒检测的情况下，自混合干涉信号可以例如以短信号突发或多个信号突发为特征。在这些信号中观察到的多普勒频率是沿着光轴的颗粒速度的量度。因此，可以优选使用dc驱动电流，以简化信号检测和信号分析。可以使用调制的驱动电流，以确定颗粒的位置或速度、例如借助于自混合干涉信号来确定，所述自混合干涉信号可以通过激光在较大颗粒或干扰物体处的反射而产生。距离(以及可选地，速度)可以在一个测量中或在随后的测量步骤中确定。因此，可能的是、甚至是有益的是在第一时间段中使用dc驱动电流，以产生预期的颗粒数量、速度和调制的驱动电流的颗粒测量结果，以确定光束中的假物体。信号的持续时间和强度可以可选地用于确定粒径。

用于颗粒检测的干涉测量还可以借助于包括外部检测器的小型干涉仪来执行，所述外部检测器被布置为能够沿着激光器腔外部的干涉路径来测量发射的激光和反射的激光的干涉。

图1示出了激光传感器模块100的第一实施例的原理简图。激光传感器模块100包括三个激光器111和用于检测干涉信号的相应的检测器121。为了简化讨论，在图1中仅示出了一个激光器111和一个检测器121。因此，在下文中，其被称为图1中所示的激光器111和相应的检测器121。激光传感器模块100还包括电驱动器130，电驱动器130布置为能够将电驱动电流提供给激光器111，使得激光器在接收到电驱动电流时发射激光束112。检测器121是集成在激光器111中的光电二极管，以确定激光器111的激光器腔中的自混合干涉信号。根据一个替代实施例(未示出)，检测器121可以是布置为能够接收基于发射的激光和反射的激光的干涉的干涉信号的单独的光电二极管。激光器111布置为能够向光学布置结构140发射激光，光学布置结构140在这种情况下包括透镜。透镜的外表面包括激光传感器模块100的发射窗145。透镜将激光束112聚焦到聚焦区域。聚焦区域中的颗粒10将激光的一部分反射回透镜，并最终反射到激光器111的激光器腔，从而使得激光器腔中的驻波图案与反射的激光发生自混合干涉。相应的自混合干涉信号借助于检测器121来检测，并且相应的测量信号被发送到被激光传感器模块100所包括的接口135和分析评估器150。分析评估器布置为能够经由接口135接收机械激发被提供给激光传感器模块100、特别是透镜的信号。在激光传感器模块100的机械激发期间，分析评估器150还从检测器121接收指示信号。指示信号包括在激光传感器模块100的机械激发期间通过被发射窗145上的污垢颗粒50散射的散射激光117引起的测量信号。透镜以及由此的发射窗145与激光器111和检测器121机械分离(例如，嵌入在橡胶安装件中)，从而机械激发引起发射窗145与激光器111和检测器121之间较小的相对运动。检测器150基于指示信号确定对发射窗145的由于污垢颗粒50的污物或污染的定量测量。污物的定量测量被传输到接口135，从而外部装置可以基于被检测器121确定的测量信号和从分析评估器150接收的定量测量来确定颗粒密度。

图2示出了激光传感器模块100的第二实施例的原理简图。总体配置与关于图1所讨论的非常相似。主要区别在于：激光传感器模块100包括机械激励器160以提供机械激发，并且光学布置结构包括用于聚焦激光束112的光学装置141和用于保护光学装置141的单独的发射窗145。在该实施例中，单独的发射窗145相对于光学装置141、激光器111和检测器121机械分离，以使得分离的发射窗145与光学装置141、激光器111和检测器121之间能够相对运动。分离的发射窗145可以例如被下面参照图7描述的移动通信装置190包括。在这种情况下，光学装置141、激光器111和检测器121可以布置在安装在pcb上的公共封装中，其中，单独的发射窗145可以例如是覆盖移动通信装置190的显示器的盖玻璃的一部分。在该第二实施例中，分析评估器150布置为能够借助于机械激励器160启动机械激发，以确定发射窗145的污物(污垢50)。分析评估器150还布置为能够基于从检测器121接收的测量结果来确定颗粒密度并且基于从检测器121接收的测量结果以及在激光传感器模块100的借助于机械激励器160的机械激发期间接收的指示信号的分析评估来确定校正的颗粒密度。如果指示信号示出由于发射窗145的污物而使通过检测器121提供的测量信号不可靠，则分析评估器150最终布置为能够产生错误信号。

图3示出了第一测量结果，其中，激光传感器模块100的发射窗被白色带覆盖，所述白色带阻止颗粒密度的测量。包括三个激光器111和相应的检测器121的激光传感器模块100被集成在移动通信装置190中。被移动通信装置190所包括的机械激励器194被用于提供激光传感器模块100的机械激发。图3示出了通过一个单个激光器111和相应的检测器121的白色带引起的指示信号81的任意单位的信号幅值62随时间61的变化。发射窗的正弦运动的重复时间为约8ms。在转折点处，指示信号81的多普勒频率变为0hz。在转折点之间，发射窗相对于激光器111的速度最大，并且多普勒频率高于10khz。图3示出，对于给予大的回反射的白色带，多普勒信号容易被检测到的情况。盖玻璃运动的幅值δ可以通过转折点m之间的波数来计算。

幅值为约8μm。

图4示出了被移动通信装置190的建立激光传感器模块100的发射窗145的盖玻璃上的指纹引起的第二测量结果。如预期的，由指纹引起的指示信号83小于上面讨论的由白色带引起的指示信号81。指示信号83仍能容易地检测到，以能够定量测量发射窗145的污物(指纹)。

图5示出了第三测量结果，其中，发射窗145被清洁，但是仍然提供借助于机械激励器194的机械激发。测量信号85示出，小信号仍然存在并且当仔细观察时，仍能看到正弦图案的失真。这些信号可能是由于来自发射窗145的少量反射(划痕、夹杂物、瑕疵)的结合以及经由发射窗145和用于安装并连接激光器111和检测器121的pcb而回反射到激光器111的一些光的干涉效应而引起。例如，发射窗145由于指纹导致的污物引起频率fd，而从pcb回来的光引起频率2fd，这是因为在这种情况下距离变化是双倍的。fd和2fd的叠加与系统本身的噪声水平的结合(也参见图6)引起失真的信号。光学模拟已经表明，这种“回反射器效应”的幅值取决于光学装置141(透镜)与发射窗145(盖玻璃)之间的距离以及取决于激光传感器模块100的精确设计。因此，优化的设计可以使得这种回反射器效应能够降低。

图6示出了其中机械激励器194关闭的第四测量结果。没有机械激发的信号87示出激光传感器模块的底噪水平。如期望的，当机械激励器194被开启并且发射窗被去除时，观察到相同的信号。

通过研究与机械激励器160、194关闭的正常情况相比，在机械激励器160、194打开的情况下的自混合干涉信号和/或检测的颗粒的数量，来获得对于发射窗145的污物的测量。当该测量在特定阈值之上时，可以警告用户。如上面讨论的，对于发射窗145的污物的这种测量也可以用于将测得的pm2.5值校正为估计的真实值。

在包括多于一个的激光器111和检测器121(测量通道)的激光传感器模块100中，多通道(通常为3个测量通道)激光传感器模块100的信号之间的相关性可以用于识别发射窗145(例如，盖玻璃)是否包含污染物。通常，在干净的盖玻璃的情况下，每个检测器121的信号是不相关的，这是因为每个测量通道具有其自己的噪声统计信息，并且由于激光束112之间的倾斜使得同一颗粒10绝不会被两个或更多个检测器同时看到，因此测量信号不相关。如果盖玻璃上有污染物，则信号被关联起来。这可以用于将通过发射窗145的污物引起的指示信号与真实颗粒信号区分开。可以使用简单的递归算法和更复杂的基于fft的信号处理算法来估计相关性，从而提供对发射窗的污物的定性测量、特别是定量测量。

由机械激励器160、194引起的周期性分量可以借助于信号处理来抑制。例如，可以使用被构造为自适应周期性干涉消除器的自适应滤波器，其对周期性分量、例如图4中所示的周期性分量建模并且从指示信号中消除缓慢变化的恒定周期性分量。该消除器中的系数也可以用于实现指纹检测器。使用这种消除器的优点在于，颗粒检测可以在发射窗145的机械激发期间继续进行。因此，指示信号可以在第一步骤中用于提供对发射窗145的污物的定量测量，并且可以在第二步骤中在过滤由机械激发引起的周期性分量之后用于确定颗粒密度。

图7示出了包括激光传感器模块100的移动通信装置190的原理简图。激光传感器模块100适合于发射激光束112。移动通信装置190包括用户接口191、主处理装置192和主存储装置193。主处理装置192与主存储装置193连接以及与激光传感器模块100连接。主处理装置192包括如上所述的分析评估器150的功能中的至少一部分。主处理装置192将与颗粒检测有关的数据存储在主存储装置193中。在一个替代的实施例中，主处理装置192和主存储装置193也可以仅用于准备或调整借助于激光传感器模块100提供的数据，使得数据可以借助于用户接口191呈现给移动通信装置190的用户。激光传感器模块100可以借助于移动通信装置190的电源供电。移动通信装置190还包括机械激励器194。在这种情况下，机械激励器194是移动通信装置190的扬声器。扬声器以预定频率(例如，发射窗的谐振频率)提供发射窗(未示出)的机械激发。主处理装置192被布置为能够借助于如上所述由激光传感器模块100提供的指示信号来确定机械激发期间的发射窗的污物。主处理装置192还被布置为能够基于指示信号来计算和校正颗粒密度或能够发起错误信号。

相同的原理可以在包括激光传感器模块100的其他装置中使用。空气清洁器或通风罩例如可以包括激光传感器模块100。例如，空气清洁器的风扇可以用于(自动地)激发发射窗。

图8示出了测试激光传感器模块100的发射窗145的污物的方法的原理简图。在步骤210中，激光束112通过发射窗145发射到聚焦区域。在步骤220中，在发射激光束112期间，提供发射窗145的机械激发。在步骤230中，在发射窗145的机械激发期间，确定干涉信号、特别是自混合干涉信号。

尽管已经在附图和前述描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的示出和描述应被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可以包括本领域中已知的并且可以代替或附加于已经在此描述的特征使用的其他特征。

通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，而单数形式不排除多个元件或步骤。特定措施被记载在相互不同的从属权利要求中的这个事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

附图标记列表：

10颗粒

50污垢

61时间

62信号幅值[任意单位]

81由白色带引起的信号

83由指纹引起的信号

85干净窗的信号

87无机械激发的信号

100激光传感器模块

111激光器

112激光束

117散射的激光

121检测器

130电驱动器

135接口

140光学布置结构

141光学装置

145发射窗

150分析评估器

160机械激励器

190移动通信装置

191用户接口

192主处理装置

193主存储装置

194机械激励器

210发射激光的步骤

220激发发射窗的步骤

230确定自混合干涉信号的步骤