光学颗粒传感器制造技术

本发明专利技术描述了一种激光传感器模块。所述激光传感器模块包括：至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111’)，以及至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112’)。所述激光传感器模块还包括光学设备(150)，所述光学设备被布置为对所述第一测量光束(111’)和所述第二测量光束(112’)进行重定向，使得5所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束包围在45°和135°之间的角度。所述激光传感器模块包括一个探测器(120)，所述一个探测器适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉信号和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号。尽管实际上不可能确定速度矢量的分量，但是该配置10使得能够确定颗粒的平均速度。借助于统计变化引入的误差是可接受的，因为探测到的颗粒的数量与颗粒速度的立方根成比例。本发明专利技术还描述了一种包括这样的激光传感器模块的颗粒传感器(100)、对应的方法和计算机程序产品15。本发明专利技术使得能够基于激光自混合干涉来探测小颗粒的简单且低成本的颗粒传感器(100)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学颗粒传感器
本专利技术涉及使用自混合干涉进行颗粒密度检测的激光传感器或激光传感器模块，相关的颗粒密度检测方法和对应的计算机程序产品。本专利技术还涉及包括这样的激光传感器或激光传感器模块的设备。
技术介绍
CN102564909A公开了一种用于大气颗粒物的激光自混合多物理参数测量方法和激光自混合多物理参数测量设备。所述激光自混合多物理参数测量设备包括微芯片激光器、准直透镜、分光器、会聚透镜、光电探测器、放大器、数据采集卡和谱分析器。所描述的方法和设备复杂且昂贵。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于颗粒密度检测的改进的激光传感器模块。本专利技术由独立权利要求定义。从属权利要求定义了有利实施例。根据第一方面，提出了一种用于颗粒密度检测的激光传感器模块。所述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，以及至少第二激光器，其适于发射第二测量光束，-光学设备，其被布置为至少对所述第一测量光束进行重定向，使得所述第一测量光束与所述第二测量光束包围45°与135°之间的角度，-一个探测器，其适于确定所述第一激光器的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉信号和所述第二激光器的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号。借助于光学感测技术确定的探测颗粒的数量取决于颗粒相对于光束的相对速度。因此有必要确定颗粒的速度以确定相应的颗粒密度。在未知风向的一般情况下，必须使用指向不同方向的多个自混合激光传感器，优选地正交地放置。自混合激光传感器中的每个在相应方向上发射激光束，并且一旦激光束在颗粒处反射而使得至少一部分反射激光束重新进入相应的自混合激光传感器的激光腔就产生自混合干涉信号。平行于激光束发射方向的颗粒的速度分量可以通过自混合干涉信号来确定。因此，需要三线性独立方向(优选地，正交方向，如x、y和z)中的自混合激光传感器发射激光，以确定颗粒流的速度矢量。在其他配置中，必须相对于自混合激光传感器固定颗粒流的方向，或者必须借助于例如可移动的镜面来生成人造颗粒流，使得风速的影响可以忽略不计。特别是作为振荡的镜面的可移动机械部件增加了这样的颗粒传感器的尺寸和成本。具有用于探测至少两个激光器的自混合干涉信号的一个公共探测器的激光传感器模块减小了颗粒传感器的尺寸、复杂性并因此降低了成本。探测器不是为了区分哪个激光腔产生自混合干涉信号而布置的。因此，不可能将发射方向分配给所确定的自混合干涉信号。静态光学设备(没有可移动部件)用于对一个或两个测量光束进行重定向，使得测量光束包围45°与135°之间的固定角度，更优选地在60°与120°之间，并且最优选地在80°与100°之间。可以从单个或共同的探测器(例如，光电二极管)来确定可靠的速度测量。原因在于，在二维颗粒流(例如，平行于表面的风)的情况下，颗粒速度将在已知方法中通过x和y方向上的速度分量的平方根得出。因此，仅借助于一个不能区分x和y方向的探测器来测量速度会引入误差。因为探测到的颗粒的数量与颗粒速度的立方根成比例，所以颗粒的数量的误差小于颗粒速度的误差。因此，简化的激光传感器模块能够在多种应用中以足够的精度探测探测体积内的颗粒的数量。探测体积内的颗粒的数量可用于确定由美国环境保护局的国家空气质量标准定义的PM2.5值。自混合干涉信号的信号强度还可以用于确定粒尺寸的估计。可以有两个、三个、四个或更多个(例如阵列)发射第一测量光束的激光器以及两个、三个、四个或更多个(例如阵列)发射第二测量光束的激光器。增加测量光束的数量可以增加探测体积并因此减少确定足够颗粒所需的探测时间。激光传感器模块可以包括适于发射第三测量光束的至少第三激光器。所述光学设备可以被布置为使得至少两个测量光束被重定向，使得所有测量光束相互包围相同的角度。光学设备可以特别地被布置为对所述第一测量光束、所述第二测量光束和所述第三测量光束进行重定向，使得所述第一测量光束和所述第二测量光束包围的角度与所述第二测量光束和所述第三测量光束包围的角度并且与所述第三测量光束和所述第一测量光束包围的角度相同。单个探测器可以适于确定所述第三激光器的第三激光腔内的第三光波的至少另外的第三自混合干涉信号。因此，单个探测器被布置为确定所有三个激光器的自混合干涉信号。因此，与单独的探测器与每个激光器组合的配置相比，简化了激光传感器模块。采用三个借助于光学设备布置的激光器在三个线性独立测量方向上发射三个测量光束，使得能够在颗粒流向量不被限制到基本上二维平面的情况下确定平均速度，如具有上述两个测量光束的激光器传感器模块的情况。因此，即使在未知的三维颗粒流的情况下，也可以通过这种简单的激光传感器模块来确定探测体积中的颗粒的数量。如上所述，可以有两个、三个、四个或更多(例如阵列)的激光器发射第三测量光束以增加探测体积。测量光束可以包围90°的角度。选择基本上正交的测量光束减小了测量误差，如下所述，并且因此可能是优选的。两个测量光束可以包围90°的角度，或者三个测量光束可以包围90°的角度(例如，指向笛卡尔坐标系x、y、z方向的测量光束)。在测量光束的三维布置的情况下，所述至少第一激光器和所述至少第二激光器以及甚至所述第三激光器可以由设置在公共半导体芯片上的半导体层组成。两个或三个激光器可以彼此相邻放置，例如，在共同的半导体芯片上，使得这些激光器以相同的方向发射激光。光学设备改变发射方向，使得两个或三个测量光束包围所需的一个或多个角度。公共探测器可以集成在公共半导体芯片的半导体层中。半导体芯片的半导体层可包括一个或多个光敏层。光敏层(例如，光电二极管或光电晶体管)可以被布置在构建所述至少两个激光器的半导体层的布置下方。所述光敏层可以被布置为使得可以探测激光器的每个激光腔内的光波的变化。因此，可以借助于公共半导体芯片与光学器件的组合来实现非常紧凑的激光传感器模块。激光器和光敏层可以在一个半导体工艺流程中在晶片级上制造。光学设备可包括与激光器光学耦合的光栅。替代地，光学设备可以包括集成在半导体层中或恰好在半导体层上方的表面光栅。表面光栅可以包括在发射的测量光束的路径中的一个或多个结构化半导体层，其可以在激光器的半导体处理期间以及任选地如上所述的集成公共探测器处理期间被处理。光栅或表面光栅被布置为使测量光束在预期的方向上偏转，如上文和下文所述。所述至少第一激光器和所述至少第二激光器可以是例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在这种情况下，公共探测器可以任选地放置在激光腔附近或者集成在腔的结构中(例如，集成在镜面中的一个的层结构中)，使得实现激光器的激光腔与公共探测器之间的光学耦合。表面光栅可以任选地被提供在两个、三个或更多个VCSEL(顶部或底部发射器)的光发射侧，以便实现或支持测量光束的偏转。所述光学设备可以包括微光学部件，用于对由激光器发射的测量光束进行重定向。每个微光学部件可以被附接到一个激光器或激光器设备，以便在将相应的测量光束重定向到预期的测量方向上。微光学部件可以在晶片级连接到激光器，以便简化对齐。微光学部件可以分组在共同的光学子设备中，使得两个、三个、四个或更多个微光学部件可以被附接到包括两个、三个、四个或更多个激光器的激光传感器模块。一个微光学部件(光学阵列)可用于重定向例如由包括两个、三个、四个或更多个激光器(例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒传感器(100)，其包括用于探测颗粒的激光传感器模块，所述激光传感器模块包括：‑至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111’)，以及至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112’)，‑光学设备(150)，其被布置为至少对所述第一测量光束(111’)进行重定向，使得所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束(112’)包围45°与135°之间的角度，‑一个公共探测器(120)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉信号和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号，‑所述颗粒传感器(100)还包括评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由所述探测器(120)响应于所确定的自混合干涉信号而生成的探测信号，其中，所述评估器(140)还适于借助于接收到的在预定时间段内的探测信号来确定至少一个平均颗粒速度，并且其中，所述评估器(140)还适于基于所确定的在所述预定时间段内的自混合干涉信号的数量和所述至少一个平均速度来确定颗粒密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.19 EP 16170306.11.一种颗粒传感器(100)，其包括用于探测颗粒的激光传感器模块，所述激光传感器模块包括：-至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111’)，以及至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112’)，-光学设备(150)，其被布置为至少对所述第一测量光束(111’)进行重定向，使得所述第一测量光束(111’)与所述第二测量光束(112’)包围45°与135°之间的角度，-一个公共探测器(120)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的至少第一自混合干涉信号和所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的至少第二自混合干涉信号，-所述颗粒传感器(100)还包括评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由所述探测器(120)响应于所确定的自混合干涉信号而生成的探测信号，其中，所述评估器(140)还适于借助于接收到的在预定时间段内的探测信号来确定至少一个平均颗粒速度，并且其中，所述评估器(140)还适于基于所确定的在所述预定时间段内的自混合干涉信号的数量和所述至少一个平均速度来确定颗粒密度。2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述激光传感器模块包括至少第三激光器(113)，所述至少第三激光器适于发射第三测量光束(113’)，其中，所述光学设备(150)被布置为对所述测量光束(111’、112’、113’)中的至少两个进行重定向，使得所述测量光束(111’、112’、113’)相互包围相同的角度，并且其中，所述探测器(120)适于确定所述第三激光器(113)的第三激光腔内的第三光波的至少第三自混合干涉信号。3.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述测量光束(111’、112’、113’)相互包围90°的角度。4.根据权利要求1、2或3所述的颗粒传感器(100)，其中，所述至少第一激光器(111)和所述至少第二激光器(112)包括在公共半导体芯片上提供的半导体层。5.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述探测器(120)被集成在所述半导体层中。6.根据权利要求1所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括光栅。7.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括被集成在所述半导体层中的表面光栅。8.根据权利要求4所述的颗粒传感器(100)，其中，所述光学设备(150)包括微光学部件(151a)，所述微光学部件用于对由所述激光器(111、112、...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·M·斯普鲁伊特，P·T·于特，A·M·范德莱，H·J·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