用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器制造技术

本发明专利技术描述了一种用于检测超细颗粒(10)的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸，所述激光传感器模块(100)包括：‑至少一个激光器(110)，其适于对由至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域；‑至少一个检测器(120)，其适于确定所述至少一个激光器(110)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的；‑所述激光传感器模块(100)被布置为执行至少一次自混合干涉测量；‑所述激光传感器模块(100)适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布，所述激光传感器模块还适于确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度；‑至少一个评价器(140)，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。本发明专利技术还描述了对应的方法和计算机程序产品。本发明专利技术实现了能够检测具有100nm或者甚至更小的尺寸的颗粒的、基于激光自混合干涉的简单并且低成本的颗粒检测模块或颗粒检测器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器
本专利技术涉及用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器或激光传感器模块以及超细颗粒尺寸检测的相关方法。本专利技术还涉及对应的计算机程序产品。
技术介绍
通常，认为光学技术不能够检测超细颗粒(在300nm或更小量级上的颗粒尺寸)。颗粒的有效反射随着颗粒尺寸而大幅减小，这不仅是由于颗粒的尺寸小，而且还由于MIE散射给出的减小的反向散射效应(对于0.1微米与1微米之间的直径为～D2，而对于<0.1微米的直径为～D4，其中，D为颗粒的直径)。由于信号幅度的急剧减小，不再能够区分超细颗粒与噪声。SUDOLS等人在OPTICSEXPRESS，第14卷，第3期，2006年2月6日(2006-02-06)，第1044-1054页，XP002753399，DOI:10.1364/OE.14.001044上的“QuickandeasymeasurementofparticlesizeofBrownianparticlesandplanktonsinwaterusingaself-mixinglaser”一文描述了一种用于快速且容易地测量悬浮液中的小颗粒的尺寸的方法。该方法使用自混合激光多普勒测量，其利用具有极高的光学灵敏度的激光-二极管-泵送、薄片-LiNdP4O12激光器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于超细颗粒尺寸检测的简单并且便宜的激光传感器模块。本专利技术由独立权利要求来定义。从属权利要求定义了有利实施例。根据第一方面，提供了一种用于检测超细颗粒的激光传感器模块，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸。所述激光传感器模块包括：-至少一个激光器，其适于对由至少一个电驱动器提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域，-至少一个检测器，其适于确定所述至少一个激光器的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的，-所述激光传感器模块被布置为执行至少一次自混合干涉测量，-所述激光传感器模块适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布函数，所述激光传感器模块还适于确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，-至少一个评价器，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。所述第二灵敏度可以被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒不被检测到。所述第一灵敏度可以被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒被检测到。所述第一颗粒尺寸分布函数和所述第二颗粒尺寸分布函数在定义的阈值颗粒尺寸之上具有基本上相同的形状。信号的大小随着灵敏度而缩放。因此，能够通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与在这种情况下大于1的恒定校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定小于定义的阈值的颗粒尺寸的颗粒度量。可以借助于考虑所述校准因子q的相减来消除由较大颗粒引起的可能掩蔽较小颗粒的信号的影响。如果第一灵敏度低于第二灵敏度(这意味着第一颗粒尺寸分布函数并没有示出与小于定义的阈值的颗粒有关的任何信号)，则可以使用相同的流程。在这种情况下，校准因子q小于1。所选取的阈值颗粒尺寸可以为300nm、200nm、100nm或者甚至50nm。通过较大颗粒的影响被最优地消除的方式来确定所述校准因子q。当前模型计算结果指示所述校准因子q值取决于颗粒尺寸分布。检测到的来自特定尺寸的颗粒的比率似乎是由两个测量条件给出的，因此，不是由颗粒分布给出的。不管怎样，即使在颗粒分布将要求针对颗粒尺寸的不同范围的不同q值的情况下，在这种测量中也存在对此进行校正的方法。通过a-qb规则地导出超细颗粒的数量(小于定义的阈值的颗粒)，其中，a表示第一颗粒尺寸分布，并且b表示第二颗粒尺寸分布函数。能够在后续步骤中导出比率(a-qb)/a。该比率将是针对小颗粒的相对贡献的度量。最终，将在必要时针对颗粒分布对q进行校正。所述至少一个激光器例如可以是半导体激光器，如侧面发射器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。所述检测器可以是被布置为确定至少一个激光器的激光腔中的光波的变化以便确定自混合干涉信号的任何传感器布置，所述自混合干涉信号是借助于在至少一个激光器的操作期间由激光器发射的激光、由颗粒反射的激光以及重新进入激光腔的激光来生成的。所述检测器例如可以是光电二极管，所述光电二极管可以被集成在VCSEL中，或者测量电路被布置为确定跨激光腔的电阻。所述至少一个激光器可以是单个激光器或激光器阵列，诸如具有被集成在一个光学半导体芯片上的两个、三个、四个或更多个激光器的VCSEL阵列。所述颗粒度量可以指代颗粒的绝对数量、相对于参考体积的颗粒密度、相对于参考体积的质量浓度、颗粒分布或密度或相关的声学信号的任何种类的图形表示。所述颗粒可以借助于流体来承载。所述流体例如可以是如水的液体或者如空气的气体。一次自混合干涉测量可能是足够的，以便确定第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数。在这种情况下，所述激光传感器模块可以适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述至少一个测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。在这种情况下，所述至少一个评价器可以适于将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果。在这种情况下，所述至少一个评价器还可以适于借助于所述测量结果和所述第一阈值来确定所述第一颗粒尺寸分布函数。在这种情况下，所述至少一个评价器还适于将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，所述第二阈值不同于所述第一阈值。在这种情况下，所述至少一个评价器还可以适于借助于所述测量结果和所述第二阈值来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。所述第二阈值例如可以高于所述第一阈值，使得所述第二颗粒尺寸分布函数不示出与在如上所讨论的预定颗粒阈值尺寸处更小的颗粒有关的任何信号。在这种情况下，如以上所讨论的，校准因子q将大于1。所述检测阈值例如能够被设定为模拟检测阈值水平，其被设定在特定信号水平上。高于该水平的测量信号被检测为颗粒。该水平可以增大，以便得到在q大于1的情况下的所述第二颗粒分布函数。备选地，在快速傅里叶变换(FFT)之后，能够基于在与相应的颗粒尺寸颗粒相对应的特定频率处的信号强度来设定阈值。再次地，能够使该阈值变化以获得两个颗粒尺寸分布函数。备选地或额外地，可以在检测时设定信噪比(SNR)。SNR检测阈值可以被设定为两个不同的值。这能够在模拟域或数字域中完成。一个变量可以是确定SNR并且设定所要求的SNR水平。另一选项将是使用相同的SNR阈值水平，但是具有不同的噪声带宽。这两种选项都可以在模拟域或数字域中执行。除了查看时间域以外，也能够查看(短时间区间的)频率域，并且在此将阈值设定在不同幅度水平处，或者使用FFT的不同分辨带宽。因此，可以在数据处理的每个阶段处操纵基于至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，以便根据一个测量结果来生成第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数。可以以如下方式操纵或过滤基于一次自混合干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测超细颗粒(10)的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸，所述激光传感器模块(100)包括：‑至少一个激光器(110)，其适于对由至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域，‑至少一个检测器(120)，其适于确定所述至少一个激光器(110)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的，‑所述激光传感器模块(100)被布置为执行至少一次自混合干涉测量，其特征在于：‑所述激光传感器模块(100)适于确定第一颗粒尺寸分布函数，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果由相对于颗粒尺寸检测的第一灵敏度来表征，所述激光传感器模块还适于确定第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述第二颗粒尺寸分布函数由相对于颗粒尺寸检测的第二灵敏度来表征，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，‑至少一个评价器(140)，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的所述颗粒尺寸的颗粒度量，其中，所述校准因子q被确定为使得较大颗粒的影响被消除，使得能够确定所述颗粒度量。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.21 EP 16161414.41.一种用于检测超细颗粒(10)的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸，所述激光传感器模块(100)包括：-至少一个激光器(110)，其适于对由至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域，-至少一个检测器(120)，其适于确定所述至少一个激光器(110)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的，-所述激光传感器模块(100)被布置为执行至少一次自混合干涉测量，其特征在于：-所述激光传感器模块(100)适于确定第一颗粒尺寸分布函数，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果由相对于颗粒尺寸检测的第一灵敏度来表征，所述激光传感器模块还适于确定第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述第二颗粒尺寸分布函数由相对于颗粒尺寸检测的第二灵敏度来表征，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，-至少一个评价器(140)，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的所述颗粒尺寸的颗粒度量，其中，所述校准因子q被确定为使得较大颗粒的影响被消除，使得能够确定所述颗粒度量。2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述至少一个测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。3.根据权利要求2所述的激光传感器模块(100)：-所述至少一个评估器(140)适于将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果，所述至少一个评估器(140)还适于借助于所述测量结果和所述第一阈值来确定所述第一颗粒尺寸分布函数，-所述至少一个评估器(140)还适于将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，所述第二阈值不同于所述第一阈值，所述至少一个评估器(140)还适于借助于所述测量结果和所述第二阈值来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。4.根据权利要求2所述的激光传感器模块(100)：-所述激光传感器模块(100)被布置为以所述第一灵敏度来执行第一自混合干涉测量，-所述激光传感器模块(100)还被布置为以所述第二灵敏度来执行第二自混合干涉测量，-所述至少一个评估器(140)适于借助于基于所述第一自混合干涉测量而确定的第一测量结果来确定所述第一颗粒尺寸分布函数，所述至少一个评估器(140)还适于借助于基于所述第二自混合干涉测量而确定的第二测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。5.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括用于对所述激光进行聚焦的光学设备(150)，所述光学设备由至少0.06、更优选至少0.2、最优选至少0.3的数值孔径来表征。6.根据权利要求4所述的颗粒传感器模块(100)，所述颗粒传感器模块(100)包括光学重定向设备(170)，所述光学重定向设备被布置为移动所述激光的所述聚焦区域，所述颗粒传感器模块(100)还包括至少一个控制器(160)，所述至少一个控制器适于在所述第一自混合干涉测量期间以第一速度控制所述聚焦区域的所述移动并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一速度的第二速度控制所述聚焦区域的所述移动。7.根据权利要求4所述的颗粒传感器模块(100)，所述颗粒传感器模块(100)包括至少一个颗粒流动控制设备(410)，所述至少一个颗粒流动控制设备被布置为控制颗粒流动的速度，所述颗粒传感器模块(100)还包括至少一个流动控制器，所述至少一个流动控制器适于...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·M·斯普鲁伊特，A·M·范德莱，P·T·于特，C·R·龙达，P·德格拉夫，H·门希，J·W·海尔米格，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL