基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器制造技术

本公开涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。本发明专利技术描述了各种传感器，包括颗粒物传感器。一种颗粒物传感器包括自混合干涉测量传感器和一组一个或多个光学元件。所述一组一个或多个光学元件被定位成接收所述自混合干涉测量传感器的光学发射，将所述光学发射分成多个光束，并且将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向。所述自混合干涉测量传感器被配置为生成关于颗粒穿过所述多个光束的相应测量区域的颗粒速度信息。

Particle sensor based on beam splitting self mixing interferometry sensor

【技术实现步骤摘要】
基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器
所述实施方案整体涉及颗粒物传感器。更具体地讲，所述实施方案涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。
技术介绍
自混合干涉测量法是一种可用于颗粒物检测和空气质量监测的光学感测技术。在自混合干涉测量法中，由基于受激发射的电磁辐射源(例如，激光器)发射的相干或部分相干电磁辐射可通过从颗粒物(例如，小固体或液体颗粒，诸如包含在污染(烟雾)、灰分、粉尘、花粉、水蒸气等中的颗粒)反射/反向散射而重新耦接到电磁辐射源的光学谐振腔中。这种重新耦接引起光学谐振腔的电场和载波分布中的可测量的相敏变化(例如，多普勒频移)。
技术实现思路
本公开所述的系统、装置、方法和设备的实施方案涉及颗粒物传感器，更具体地讲，涉及基于分束自混合干涉测量传感器的颗粒物传感器。本文将自混合干涉测量传感器定义为一种传感器，该种传感器被配置为在光学谐振腔内生成电磁辐射，从该光学谐振腔发射该电磁辐射，将该电磁辐射反射或反向散射回该光学谐振腔中，在该光学谐振腔内自混合生成的和反射/反向散射的电磁辐射，并且生成指示自混合的输出。生成的、发射的以及接收到的电磁辐射可以是相干的或部分相干的。在一些示例中，由自混合干涉测量传感器发射的电磁辐射可由电磁辐射源诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)、量子点激光器(QDL)、量子级联激光器(QCL)、或发光二级管(LED)(例如，有机LED(OLED)、谐振腔LED(RC-LED)、微LED(mLED)、超发光LED(SLED)、或边缘发射LED)等生成。生成的、发射的以及接收到的电磁辐射可包括例如可见光或不可见光(例如，绿光、红外(IR)光，紫外(UV)光等)。自混合干涉测量传感器的输出可包括由光电探测器(例如，光电二极管)产生的光电流，该光电探测器与传感器的电磁辐射源集成或者定位在传感器的电磁辐射源下方、上方或旁边。另选地或除此之外，自混合干涉测量传感器的输出可包括该自混合干涉测量传感器的偏置电流或接点电压的测量。如本文所述，单个自混合干涉测量传感器可用于确定以下中的一者或多者：一组测量区域内的颗粒物的存在、穿过测量区域的颗粒的速度、穿过测量区域的气流、测量区域内的颗粒物浓度、测量区域内的空气质量等。在第一方面，本公开描述了一种颗粒物传感器。颗粒物传感器可包括自混合干涉测量传感器和一组一个或多个光学元件。该一组一个或多个光学元件可被定位成接收自混合干涉测量传感器的光学发射，将该光学发射分成多个光束，并且将该多个光束中的每个光束引导到不同的方向。自混合干涉测量传感器被配置为生成关于穿过该多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。在另一方面，本公开描述了一种包括电磁辐射源和分光器的传感器。电磁辐射源可具有光学谐振腔。分光器可被配置为将电磁辐射源的光学发射分成一组多个光束，并且接收该多个光束的反射或反向散射，并且将接收到的反射或反向散射引导到光学谐振腔中。在本公开的又一方面，描述了一种感测颗粒物的方法。该方法可包括将从自混合干涉测量传感器接收到的光学发射分成多个光束；将该多个光束中的每个光束引导到不同的方向；并且从自混合干涉测量传感器输出关于穿过该多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。除了所述示例性方面和实施方案之外，参考附图并通过研究以下描述，更多方面和实施方案将为显而易见的。附图说明通过以下结合附图的具体实施方式，将容易理解本公开，其中类似的附图标号指代类似的结构元件，并且其中：图1A和图1B示出了可包括颗粒物传感器的设备的第一示例；图2A和图2B示出了可包括颗粒物传感器的设备的第二示例；图3示出了颗粒物传感器的示例性框图；图4示出了颗粒物传感器的示例性正面图；图5示出了颗粒物传感器的平面图；图6A至8B示出了图4和图5所示的光束的相应平面图(“A”视图)和正面图(“B”视图)；图9示出了估计颗粒物浓度的示例性方法，该方法可由与自混合干涉测量传感器相关联的电路执行；图10示出了感测颗粒物的示例性方法；以及图11示出了电子设备的示例性电气框图。附图中的交叉影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质、或属性的任何偏好或要求。此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。具体实施方式相关申请的交叉引用本专利申请是非临时性的，并且根据35USC119(e)，要求于2019年4月5日提交的美国临时专利申请No.62/830,085的权益，上述专利申请的内容以引用方式并入本文，如同在本文中完全公开。现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。以下描述涉及颗粒物感测。当使用自混合干涉测量法来估计颗粒物浓度时，精确的颗粒物浓度估计取决于颗粒速度的精确三维(3D)重构(例如，颗粒速度矢量的重构)。然而，自混合干涉测量法的固有限制在于，当颗粒穿过靠近光束焦距的电磁辐射的光束时，仅可测量在光束方向上的颗粒的绝对颗粒速度，而垂直于光束的颗粒的速度丧失。因此，使用自混合干涉测量法估计颗粒物浓度的常规方法是使用在三个不同方向上取向的三个自混合干涉测量传感器。然而，使用多个自混合干涉测量传感器可提高颗粒物传感器的成本、复杂性和功率消耗以及增大颗粒物传感器的尺寸。如本文所述，单个自混合干涉测量传感器可用于确定以下中的一者或多者：一组测量区域内的颗粒物的存在、穿过测量区域的颗粒的速度、穿过测量区域的气流、测量区域内的颗粒物浓度、测量区域内的空气质量等。单个自混合干涉测量传感器可用于通过将自混合干涉测量传感器的光学发射分成具有不同方向的多个光束来感测颗粒物。可使用一组一个或多个光学元件将光学发射分成多个光束，该一个或多个光学元件可包括一个或多个衍射光学元件(或全息元件、或周期性亚波长元件、或非周期性亚波长元件)和一个或多个光束成形光学元件(例如，一个或多个聚焦、倾斜和/或准直光学元件)。可使用从由自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号(有时也称为自混合干涉测量信号)获得的颗粒速度信息并结合光束几何结构的信息来估计颗粒速度、颗粒物浓度和其他参数。在一些情况下，检测到的颗粒物可包括为大约PM10(直径小于10微米(μm)的颗粒物)或PM2.5(直径小于2.5μm的颗粒物)的颗粒物。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒物传感器，包括：/n自混合干涉测量传感器；以及/n一组一个或多个光学元件，所述一组一个或多个光学元件被定位成接收所述自混合干涉测量传感器的光学发射，将所述光学发射分成多个光束，并且将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向；其中：/n所述自混合干涉测量传感器被配置为生成关于穿过所述多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。/n

【技术特征摘要】
20190405 US 62/830,085;20200327 US 16/833,1991.一种颗粒物传感器，包括：
自混合干涉测量传感器；以及
一组一个或多个光学元件，所述一组一个或多个光学元件被定位成接收所述自混合干涉测量传感器的光学发射，将所述光学发射分成多个光束，并且将所述多个光束中的每个光束引导到不同的方向；其中：
所述自混合干涉测量传感器被配置为生成关于穿过所述多个光束的相应测量区域的颗粒的颗粒速度信息。


2.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述颗粒速度信息包括由所述自混合干涉测量传感器生成的自混合干涉信号中的无符号多普勒频移。


3.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，还包括被配置为执行以下操作的电路：
执行频域分析以从所述自混合干涉信号中提取所述无符号多普勒频移；
使用所述多个光束的相对取向和所述无符号多普勒频移来估计颗粒速度；
使用所述颗粒速度来估计穿过所述相应测量区域的气流体积；
计数在一段时间内穿过所述相应测量区域的颗粒数；并且
使用所述颗粒数和所述气流体积来估计颗粒物浓度。


4.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，还包括被配置为执行以下操作的电路：
执行时频域分析以从所述自混合干涉信号中提取所述无符号多普勒频移；
使用所述多个光束的相对取向和所述无符号多普勒频移来估计颗粒速度；
使用所述颗粒速度来估计穿过所述相应测量区域的气流体积；
计数在一段时间内穿过所述相应测量区域的颗粒数；并且
使用所述颗粒数和所述气流体积来估计颗粒物浓度。


5.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述一组一个或多个光学元件将所述多个光束中的每个光束聚焦在所述相应测量区域中的一个处。


6.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括：
被配置为使用所述颗粒速度信息来检测颗粒物的存在的电路。


7.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括：
被配置为使用所述颗粒速度信息来估计颗粒物浓度的电路。


8.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述多个光束由三个光束组成。


9.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述自混合干涉测量传感器包括与光电探测器集成的电磁辐射源。


10.根据权利要求1所述的颗粒物传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·姆特鲁，闫淼磊，M·K·布朗，R·叶，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国;US