CN109073563A - 用于检测颗粒的方法和传感器*** - Google Patents

Abstract

一种用于检测颗粒的方法包括由发射器单元(EU)沿指定发射方向向测量室(MC)中发射光的第一脉冲(P1)，在第一时间窗口(TW1)期间由光敏元件检测第一反射部分(RF1)，以及根据第一反射部分(RF1)的检测确定颗粒数量。用于从发射器单元(EU)发射的、从反射器(R)反射的并且由光敏元件检测到的光射线的最小长度路径由发射方向且由反射器(R)、发射器单元(EU)和光敏元件的相互布置来限定。第一脉冲(P1)的起始时间与第一时间窗口(TW1)的结束时间之差小于沿最小长度路径传播的光的飞行时间。

Description

用于检测颗粒的方法和传感器***

本发明涉及检测或感测颗粒的领域。更具体地，本发明涉及一种用于检测(特别是以光学方式检测)颗粒，特别是测量室中存在的例如空气或者诸如水的液体的介质中的颗粒，的方法和传感器***。

现有的用于检测颗粒的方法可以在充满诸如空气的介质的测量室内使用具有LED和常规光电二极管的***。例如，根据介质中的颗粒数量，LED发射的光或多或少被颗粒散射并且被光电二极管接收。

这样的方法的缺陷在于污垢、颗粒、污染物和/或灰尘会附着在测量室的内表面上以及如LED或光电二极管(特别是其模具、外壳或盖)或者镜头之类的光学元件的表面上。这样的污染物的堆积例如甚至会由空气湿度加剧。

由此，表示测量的介质中的颗粒数量的信号例如会被由于光学元件和/或测量室上的污染物引起的光吸收篡改，这会导致测量准确性下降。由于所描述的污染物在寿命期间会变得更差，因此传感器***可能缺乏长期的可靠性。

因此，目标是提供一种改进的用于检测颗粒(特别是介质中的颗粒)的概念，其导致提高的测量准确性和/或提高的长期可靠性。

该目标通过独立权利要求的主题所实现。另外的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。

在本文，颗粒例如可以包括灰尘颗粒、微粒、烟雾颗粒、生物颗粒，或者其它类型的颗粒。颗粒大小例如可以处于纳米、微米和/或毫米的范围内。典型的颗粒大小可以包括100nm、1μm、2.5μm或10μm。

在本文，表述“空气”通常表示例如存在于根据改进的概念的传感器***的环境中的气体或气态混合物。特别地，“空气”可以表示地球大气中存在的气态混合物。然而，表述“空气”并不应当以有关气体或气态混合物的特定组分的限制意义来理解。特别地，根据改进的概念的实施方式并不依赖于这样的特定组分。

在本文，表述“光”通常表示具有处于可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱辐射内的波长的电磁辐射。

根据改进的概念，由发射器单元向测量室中发射光的第一脉冲，并且被存在于测量室中的介质中的颗粒反射的第一脉冲的第一部分在第一时间窗口期间被光敏元件检测到。其中，第一时间窗口针对第一脉冲的时序以及针对测量室、发射器单元和光敏元件的相互布置来具体调节。特别地，第一测量窗口在从测量室(例如，测量室的反射器)反射的光能够击中光敏元件的时间点之前结束。

根据改进的概念，提供了一种用于检测存在于测量室中的介质中的颗粒的方法。该方法包括由发射器单元向测量室中发射光的第一脉冲，其中第一脉冲沿发射器单元的指定发射方向发射。尤其从介质中的颗粒反射的第一脉冲的第一反射部分在第一时间窗口期间被光敏元件检测到。该方法进一步包括例如利用处理单元根据在第一时间窗口期间对第一反射部分的检测来确定介质中的颗粒数量。颗粒测量信号例如可以基于所确定的介质中的颗粒数量来生成。

用于由发射器单元尤其沿发射方向所发射的、随后从测量室的反射器反射的且由光敏元件检测到的光射线的最小长度路径由发射方向且由反射器、发射单元和光敏元件的相互布置来限定。相互布置例如可以包括反射器、发射器单元和/或光敏元件的定向。

第一脉冲的起始时间与第一时间窗口的结束时间之差小于沿最小长度路径传播的光的飞行时间TOF。

因此，在第一时间窗口期间检测到的光的第一反射部分并不受来自测量室(特别是反射器)的反射的影响，并且因此并不受测量室(特别是反射器)的污染物的吸收的影响。因此，所确定的介质中的颗粒数量的准确性可以提高。此外，使用根据改进的概念的方法的传感器***的长期可靠性可以提高。

在存在用于由发射器单元发射的、从反射器反射的且由光敏元件检测到的光射线的具有不同路径长度的多条路径的情况下，最小长度路径对应于该多条路径中具有最小路径长度的一条路径。

要指出的是，为了指定最小长度路径而监视的光射线例如是并不一定实际由发射器单元发射的虚拟或想象的光射线。所述光射线例如并不包括除来自反射器的反射以外的任何反射，特别是其并不包括来自测量室内的介质中的颗粒的任何反射。

然而，根据测量室的详细实施方式以及所提到的相互布置，所述光射线可能受到来自反射器的一个或更多个反射的影响，其中反射器可以包括可以相互连接或可以不相互连接的一个或更多个反射器组件。

反射器被布置在测量室中，使得反射器沿发射方向发射的光被反射器反射，并且随后击中光敏元件。

在一些实施方式中，反射器由测量室的一个或更多个组件(特别是外壳组件)表示。在可替换实施方式中，反射器包括布置在测量室中的一个或更多个镜子或塑料组件。塑料组件例如可以是黑色塑料组件，特别是在第一脉冲的光是红外光的情况下。例如，可以使用对于人眼表现为黑色的塑料材料，其例如可以体现红外光的实质反射率，例如，针对大约900nm的波长范围例如为大约20％。

测量室例如可以用于生成黑暗或带阴影的测量环境，特别是可以被光学封闭。以这种方式，可以减少由于周围光引起的测量误差。

根据一些实施方式，存在于测量室中的介质是空气。

根据一些实施方式，存在于测量室中的介质是液体，例如水或者另一种液体溶剂或液体物质。

发射器单元例如可以包括被配置为发射第一脉冲的第一反射器。发射方向随后由第一发射器的指定发射方向来给定。在一些实施方式中，第一发射器包括激光器，例如激光二极管、垂直腔面发射激光器VCSEL、边缘发射半导体激光器或者另一种激光器。

使用激光器可以具有如下优点：由于光与例如反射器上的污染物的交互所导致的光的光谱移动可以被忽略。此外，使用激光器可以导致第一发射器的唯一发射方向。因此，用于由第一发射器发射的、从反射器反射的且由光敏元件检测到的光射线的路径可以全部具有相同或基本上相同的路径长度。

在上文和下文中，任何提到的时间点之差对应于时间点之差的绝对值。

在一些实施方式中，所描述的发射第一脉冲和检测第一反射部分的步骤包括在一个测量周期中。测量周期可以以循环方式被重复数次并且颗粒数量可以根据几个测量周期的各自第一时间窗口期间的检测来确定。因此，测量准确性可以进一步提高。

第一脉冲例如可以具有大约几纳米、数十纳米或数百纳米量的脉冲长度。测量周期之一例如可以具有大约数微米、数十微米或数百微米量的时段。

光敏元件被配置为用于时间分辨光检测，特别是用于高速时间分辨光检测。在一些实施方式中，光敏元件包括高速光子检测元件。

根据一些实施方式，光敏元件包括一个或更多个雪崩光电二极管APD，例如一个或更多个APD阵列。在一些实施方式中，光敏元件包括一个或更多个单光子雪崩二极管SPAD，例如一个或更多个SPAD阵列。

根据一些实施方式，根据第一时间窗口期间的检测确定颗粒数量包括在第一时间窗口期间对撞击在光敏元件上的光反射的数量进行计数。

以这种方式，能够确定在第一时间窗口期间由于来自介质中的颗粒的反射而在每个时间单位有多少反射发生。颗粒测量信号然后可以包括尤其对应于几个测量周期的表示计数的直方图数据。因此，颗粒数量可以基于在第一时间窗口期间所计数的撞击在光敏元件上的光反射的数量来计算。

根据一些实施方式，第一时间窗口的起始时间等于或晚于第一脉冲的起始时间，特别是与第一脉冲的起始时间同步。

根据一些实施方式，光敏元件和发射器单元包括在传感器设备中。传感器设备可以包括发射器单元和光敏元件安装在其上的载体。特别地，光敏元件和发射器单元可以被布置在由载体的表面给出的公共平面上。传感器设备可以进一步包括盖或外罩，特别是光学透明或半透明的盖或外罩，该盖或外罩覆盖发射器单元和光敏元件。

在这样的实施方式中，发射器单元和光敏元件之间可以存在一条或更多条光学串扰路径。该一条或更多条光学串扰路径可以对应于用于由例如第一发射器的发射器单元发射的、由盖或外罩或者盖或外罩上的残留物或污染物反射的并且到达光学元件的光射线的路径。沿光学串扰路径之一传播的光射线例如可以不离开传感器设备或者不传播超出盖或外罩上的污染物。因此，这样的光射线例如可能并不被介质中的颗粒反射。

其中第一时间窗口的起始时间晚于第一脉冲的起始时间的实施方式可能具有以下优点：光敏元件在第一时间窗口期间不会检测到与光学串扰路径对应的光反射或者检测到数量减少的与光学串扰路径对应的光反射，这可以进一步提高测量准确性。

在一些实施方式中，第一脉冲的结束时间和第一时间窗口的起始时间之差大于沿一条或更多条光学串扰路径传播的光的TOF。然后，光学串扰对第一反射部分的影响例如可以被减小或避免。

根据一些实施方式，该方法进一步包括在一个或更多个另外的时间窗口期间检测第一脉冲的另外的反射部分。该方法进一步包括根据该一个或更多个另外的时间窗口期间的检测确定第一补偿因数。其中，颗粒数量进一步根据第一补偿因数来确定。

在这样的实施方式中，确定介质中的颗粒数量例如可以包括从在第一时间窗口期间检测到的第一反射确定估计的颗粒数量，并且使用第一补偿因数对该估计的颗粒数量进行校正。

第一脉冲的另外的反射部分例如可能受到测量室特别是反射器的污染物和/或盖或外罩的污染物的光吸收的影响。因此，第一补偿因数可以包括有关所述光吸收以及相应污染物的信息。此外，在第一时间窗口期间检测到的第一反射部分也可能受到盖或外罩的污染物的光吸收的影响。

例如，可以假设盖或外罩的污染物和测量室特别是反射器的污染物是相等或相似的。特别地，反射器的污染物对第一脉冲的影响可以被假设等于或类似于盖或外罩的污染物对第一脉冲的影响。然后，可知，通过使用第一补偿因数对估计的颗粒数量进行校正，盖或外罩的污染物的光吸收对所确定的介质中的颗粒数量的影响可以被减小或消除。因此，使用根据改进的概念的方法的传感器***的测量准确性以及相应的长期可靠性可以进一步改进。

根据一些实施方式，确定第一补偿因数包括将根据一个或更多个另外时间窗口期间的检测的至少一个补偿测量值或补偿测量信号与至少一个预定第一参考值进行比较。

该至少一个第一参考值例如通过至少一次相应的参考测量来确定。其中，确保在该至少一次相应的参考测量期间，测量室特别是反射器以及盖或外罩没有污染物或者其污染物是可忽略的。例如，该至少一次参考测量可以在采用根据改进的概念的方法的传感器***的制造期间执行或者在其制造之后直接执行。该至少一个第一参考值例如被存储在传感器***的存储器中。

根据一些实施方式，一个或更多个另外的时间窗口包括第一时间窗口之后的第二时间窗口。该方法包括在第二时间窗口期间由光敏元件检测第一脉冲的第二反射部分。第一补偿因数根据第二时间窗口期间的检测来确定。

根据一些实施方式，确定第一补偿因数包括对在第二时间窗口期间撞击在光敏元件上的光反射的数量进行计数。

根据一些实施方式，沿最小长度路径传播的光的TOF大于第一脉冲的结束时间和第二时间窗口的起始时间之差，并且小于第一脉冲的起始时间和第二时间窗口的结束时间之差。

因此，从反射器反射的第一脉冲的至少一部分光可以在第二时间窗口期间到达光敏元件。因此，第二时间窗口期间检测到的光的第二反射部分例如受到来自测量室特别是反射器的反射的影响，并且因此会受到测量室特别是反射器的污染物的吸收的影响。此外，第二反射部分会受到盖或外罩的污染物的光吸收的影响。因此，第一补偿因数可以用于对估计的颗粒数量进行校正。

至少一个第一参考值可以包括针对第二时间窗口的参考值。针对第二时间窗口的参考值利用针对第二时间窗口的参考测量来确定，其中确保测量室以及盖或外罩没有污染物或者其污染物是可忽略的。确定第一补偿因数可以包括将根据第二时间窗口期间的检测的补偿测量值或补偿测量信号与针对第二时间窗口的参考值进行比较。

根据一些实施方式，沿最小长度路径传播的光的TOF大于第一脉冲的起始时间和第二时间窗口的起始时间之差，和/或小于第一脉冲的结束时间和第二时间窗口的结束时间之差。

在这样的实施方式中，从反射器反射的第一脉冲的光的更多(例如全部或基本上全部)部分可以在第二时间窗口期间到达光敏元件，这可以提高第一补偿因数的准确性。

根据一些实施方式，一个或更多个另外的时间窗口包括第一时间窗口之前的第三时间窗口。该方法包括在第三时间窗口期间由光敏元件检测第一脉冲的第三反射部分。第一补偿因数根据第三时间窗口期间的检测来确定。

根据一些实施方式，确定第一补偿因数包括在第三时间窗口期间对撞击在光敏元件上的光反射的数量进行计数。

根据一些实施方式，沿发射器单元(特别是第一发射器)和光敏元件之间的光学串扰路径传播的光的TOF大于第一脉冲的结束时间和第三时间窗口的起始时间之差，并且小于第一脉冲的起始时间和第三时间窗口的结束时间之差。

因此，从盖或外罩的污染物反射的第一脉冲的至少一部分光可以在第三时间窗口期间到达光敏元件。盖或外罩被污染越严重，第一脉冲中就有越多的光被盖或外罩上的污染物反射或散射并且将导致越多的光学串扰。因此，在第三时间窗口期间检测到的光的第三反射部分取决于盖或外罩上的污染物。因此，第一补偿因数可以用于对估计的颗粒数量进行校正。

至少一个第一参考值可以包括针对第三时间窗口的参考值，特别是针对光学串扰的参考值。针对第三时间窗口的参考值例如利用光学串扰参考测量来确定，其中确保盖或外罩没有污染物或者其污染物是可忽略的。确定第一补偿因数可以包括将根据第三时间窗口期间的检测的补偿测量值或补偿测量信号与针对第三时间窗口的参考值进行比较。

根据一些实施方式，沿光学串扰路径传播的光的TOF大于第一脉冲的起始时间和第三时间窗口的起始时间之差，和/或小于第一脉冲的结束时间和第三时间窗口的结束时间之差。

以循环方式被重复几次的测量周期中的一个测量周期可以包括检测另外的反射部分，特别是第二和/或第三反射部分，的步骤。第一补偿因数可以根据几个测量周期中相应的一个或更多个另外的时间窗口期间，特别是相应的第二和/或第三时间窗口期间，的检测来确定。

根据一些实施方式，该方法进一步包括由发射器单元向测量室中发射光的第二脉冲，并且在第四时间窗口期间检测第二脉冲的反射部分。该方法进一步包括根据第四时间窗口期间的检测来确定第二补偿因数。其中，颗粒数量进一步根据第二补偿因数来确定。

在这样的实施方式中，确定介质中的颗粒数量例如可以包括从在第一时间窗口期间检测到的第一反射确定估计的颗粒数量，并且使用第二补偿因数对估计的颗粒数量进行校正。

在一些实施方式中，第二脉冲由第一发射器沿发射方向发射。在可替换的实施方式中，第二脉冲由反射器单元的第二反射器沿发射器单元(特别是第二发射器)的指定的另外的发射方向发射。另外的发射方向可以与发射方向相同或不同。

在一些实施方式中，第二反射器包括LED或激光器，例如激光二极管、垂直腔面发射激光器VCSEL、边缘发射半导体激光器或者另一种激光器。

根据一些实施方式，第二脉冲的反射部分由光敏元件检测。

根据一些实施方式，第二脉冲的反射部分由另外的光敏元件检测。

根据一些实施方式，另外的光敏元件包括在传感器设备中并且被安装在载体上。盖或外罩覆盖另外的光敏元件。

根据一些实施方式，检测第二脉冲的反射部分包括在第四时间窗口期间感测到达另外的光敏元件的光的强度。

根据一些实施方式，另外的光敏元件包括一个或更多个电荷耦合设备CCD。

根据一些实施方式，另外的光敏元件包括一个或更多个光电二极管，例如常规的光电二极管，尤其既不是APD也不是SPAD。

用于在第四时间窗口期间感测到达另外的光敏元件的光的强度，另外的光敏元件不需要特别地被配置用于时间分辨光检测，尤其高速时间分辨光检测。

根据一些实施方式，用于由发射器单元发射的、从反射器反射的并且被另外的光敏元件检测到的光射线的另外的最小长度路径由发射器单元(特别是第一或第二发射器)的另外发射方向且由反射器、发射器单元(特别是第一或第二发射器)和另外的光敏元件的相互布置来限定。沿另外的最小长度路径传播的光的TOF大于第二脉冲的结束时间和第四时间窗口的起始时间之差，并且小于第二脉冲的起始时间和第四时间窗口的结束时间之差。

因此，在第四时间窗口检测到的光的反射部分例如受到来自测量室特别是反射器的反射的影响，并且因此会受到测量室特别是反射器的污染物的吸收的影响。此外，第二脉冲的反射部分会受到盖或外罩上的污染物的光吸收的影响。因此，第二补偿因数可以用来对估计的颗粒数量进行校正。

根据一些实施方式，第二补偿因数的确定包括将根据第四时间窗口期间的检测的至少一个补偿测量值或补偿测量信号与预定的另外参考值进行比较。

另外参考值利用参考测量来确定，其中确保测量室以及盖或外罩没有污染物或者其污染物是可忽略的。

根据一些实施方式，沿另外的最小长度路径传播的光的TOF大于第二脉冲的起始时间和第四时间窗口的起始时间之差，并且小于第二脉冲的结束时间和另外时间窗口的结束时间之差。

在一些实施方式中，所描述的发射第二脉冲以及检测第二脉冲的反射部分的步骤包括在另外的测量周期中。该另外的测量周期可以以循环方式被重复几次并且第二补偿因数可以根据几个另外测量周期的各自第四时间窗口期间的检测来确定。因此，测量准确性可以进一步提高。

根据一些实施方式，传感器设备被布置在测量室内部并且连接至测量室。

在一些实施方式中，传感器设备可从测量室移除。在这样的实施方式中，传感器设备例如可以包括在诸如智能电话、平板计算机、智能手表等的电子设备中。

根据一些实施方式，该方法进一步包括根据第一和/或第二补偿因数来确定质量指标。质量指标指示盖或外罩和/或测量室的污染物，特别是反射器的污染物。

根据质量指标，可以生成警报信号，例如以信号通知测量准确性可能处于不期望的范围内。响应于警报信号，用户例如可以决定清理或更换测量室和/或传感器设备。

在一些实施方式中，第一和/或第二脉冲的发射强度可以根据质量指标和/或警报信号而被调节，例如被增大。以这种方式，测量准确性例如可以在更长时间内被保持为充分高。因此，可以进一步提高长期可靠性。

根据改进的概念，还提供了一种具有测量室的用于检测存在于测量室中的介质中的颗粒的传感器***。该***进一步包括发射器单元，其被配置为沿发射器单元的指定发射方向将光的第一脉冲发射到测量室中。该***进一步包括光敏元件，其被配置为在第一时间窗口期间检测第一脉冲的第一反射部分。该***进一步包括处理单元，其被配置为根据第一时间窗口期间的检测来确定介质中的颗粒数量。

用于由发射器单元发射的、从测量室的反射器反射的并且由光敏元件检测到的光射线的最小长度路径由发射方向且由反射器、发射器单元、光敏元件的相互布置来限定。第一脉冲的起始时间和第一时间窗口的结束时间之差小于沿最小长度路径传播的光的TOF。

根据一些实施方式，该***包括集成电路IC，其包括光敏元件和处理单元。根据一些实施方式，该IC进一步包括发射器单元。

根据改进的概念的传感器***的另外的实施方式通过根据改进的概念的方法的各种实施方式而容易地得出，反之亦然。特别地，传感器***的处理单元可以被配置为实施或控制根据改进的概念的方法所包括的各种步骤，不包括例如显然是由传感器***的诸如发射器单元或光敏元件的另一个组件来实施的这样的步骤。

在下文中，参考附图而借助于示例性实施方式对改进的概念进行详细解释。在功能上相同或者具有相同效果的组件可以由相同的附图标记来表示。相同的组件和/或具有相同效果的组件可以仅关于它们首次出现的附图来描述。它们的描述并不一定在后续附图中被重复。

在附图中：

图1A示出了根据改进的概念的传感器***的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的示例性实施方式的方面；

图1B示出了根据改进的概念的时序图；

图2示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的另外的示例性实施方式的方面；

图3示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的另外的示例性实施方式的方面；

图4示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式的测量信号的时序图；和

图5示出了根据改进的概念的传感器***的传感器设备的示例性实施方式的框图。

图1A示出了根据改进的概念的传感器***的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的示例性实施方式的方面。

传感器***包括测量室MC(例如光学封闭的测量室MC)以及布置在测量室MC内部的传感器设备SD。测量室MC还包括反射器R，其例如布置在测量室MC的与传感器设备SD相对的一侧上。

传感器设备SD例如包括载体C、布置在载体C上的发射器单元EU以及布置在载体C上的检测器单元DU。检测器单元DU和发射器单元EU例如被传感器设备SD的盖或外罩CV覆盖。可选地，传感器设备SD可以包括在检测器单元DU和发射器单元EU之间布置在载体C上的挡光板B，以阻挡光直接从发射器单元EU到达检测器单元DU。

发射器单元EU包括发射器，例如激光器，特别是VCSEL，发射器被配置为以该发射器的预定发射方向、特别是以脉冲方式来发射光。检测器单元DU包括光敏元件，特别是能够进行时间分辨光检测的光敏元件。光敏元件例如可以包括一个或更多个SPAD，特别是SPAD的阵列。

图1A还示出了存在于测量室MC内的介质(例如是空气或者诸如水的液体)中的颗粒PT。颗粒PT可能已经经由测量室MC中的开口O进入测量室MC。要强调的是，虽然颗粒PT在图1A中被描绘为位于测量室的中心，但是在现实中它们可以分散在测量室MC内，特别是基本上均匀分散在测量室MC内。

图1A还示出了位于面向传感器设备SD的反射器R的表面上的第一污染物C1。此外，第二污染物C2被示为位于传感器设备SD的顶部，特别是位于盖或外罩CV上。测量室可能存在例如位于测量室侧壁上的另外的污染物，但是在图1A中并未示出。

忽略污染物C1、C2的存在以及颗粒PT的存在，发射器沿发射方向发射的光束将会在没有任何反射或散射的情况下到达反射器R，将会经历来自反射器R的镜面反射，并且然后将会在不被反射或散射的情况下再次到达光敏元件。所描述的路径表示最小长度路径。沿最小长度路径传播的光的飞行时间TOF例如由传感器设备SD和反射器R之间的距离、发射器和光敏元件之间的距离以及光速确定。

在操作中，发射器被配置为沿发射方向发射光的第一脉冲P1。在存在颗粒PT的情况下，第一脉冲P1的部分被颗粒PT反射并且因此第一脉冲P1的第一反射部分RF1会到达光敏元件。光敏元件被配置为在如图1B所示的第一时间窗口TW1期间检测第一反射部分RF1，图1B示出了包括第一脉冲P1和第一时间窗口TW1的时序图。图1B还示出了反射时间TR，其对应于沿最小长度路径传播的第一脉冲P1的光部分将到达光敏元件时的时间点。

根据改进的概念，反射时间TR并不处于第一时间窗口TW1内，特别是处于第一时间窗口TW1之后。特别地，第一脉冲P1的起始时间和反射时间TR之间的时间差对应于沿如由图1B中的水平箭头所指示的最小长度路径传播的光的TOF。根据改进的概念。第一时间窗口TW1的结束时间处于反射时间TR之前。

如上文提到的，光敏元件可以包括SPAD或SPAD的阵列。因此，光敏元件例如可以被配置为在第一时间窗口TW1期间对撞击在该光敏元件上的光反射的数量进行计数。

所描述的测量例如以高频率重复，例如以处于kHz范围或数十kHz范围内的频率。在每个测量周期，第一脉冲P1可以由发射器发射，并且第一反射部分RF1可以在该测量周期的相应第一时间窗口TW1期间由光敏元件检测。根据在每个测量周期期间所计数的撞击在光敏元件上的反射，例如可以由处理单元PU(图1A中未示出)根据所计数的光反射生成直方图数据。

根据光敏元件在第一时间窗口TW1期间(例如在重复的测量周期的第一时间窗口TW1期间)的检测，处理单元PU可以例如基于直方图数据来确定介质中的颗粒数量。

所描述的用于颗粒检测的方法的优点在于，在第一时间窗口TW1期间对第一反射部分RF1的检测并不依赖于污染物C1。这是由于以下事实：由于所描述的第一时间窗口TW1的时序，特别是由于第一时间窗口TW1的结束时间处于反射时间TR之前，第一反射部分RF1未受到来自反射器R的反射的影响。

因此，对第一反射部分RF1的检测并不受第一污染物C1对光的吸收的影响。因此，测量的准确性，特别是所确定的颗粒数量的准确性，可以提高。

在第二污染物C2存在于盖或外罩CV上的情形中，关于图1A和1B所解释的测量可能由于第二污染物C2对光的吸收而存在误差。

如关于图2和3所描述的，根据改进的概念的方法的另外实施方式也可以减少由于第二污染物C2对光的吸收所导致的误差。

图2示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的另外的示例性实施方式的方面。例如，图2的传感器***可以基于或者可以等同于图1A的传感器***。

图2示出了其中第一脉冲P1由发射器发射并且第一脉冲P1的第二反射部分RF2在第二时间窗口TW2期间被光敏元件检测的情形。如图4所示，第二时间窗口TW2处于第一时间窗口TW1之后。特别地，反射时间TR可以处于第二时间窗口TW2中。因此，第一脉冲P1的反射部分RF2受到第二污染物C2以及第一污染物C1对光的吸收的影响。因此，光敏元件在第二时间窗口TW2期间对第二反射部分RF2的检测可以用于计算第一补偿因数。利用第一补偿因数以及第一时间窗口TW1期间对第一反射部分RF1的检测，可以以提高的准确性来确定颗粒数量。

例如，第一补偿因数可以根据用于第二时间窗口TW2期间的光检测的参考值来确定。例如，参考测量可以在不存在第一和第二污染物C1、C2以及颗粒PT的情况下执行，例如在传感器***的制造之后直接执行。

以MV表示在存在污染物C1、C2以及颗粒PT下针对第二反射部分RF的检测的测量值，并且以RV表示在没有污染物C1、C2以及颗粒PT的情况下针对第二时间窗口TW2期间的测量的参考值，第一补偿因数CMP例如可以根据以下公式来计算：

CMP＝1-(1-MV/RV)/2 (1)

第一补偿因数CMP例如可以被认为表示光学传输路径TOP值。该TOP值例如是与被吸收的光的相应数量相比而被传送的沿最小长度路径传播的光的数量的度量。

以EP表示基于如关于图1A所解释的第一反射部分RF的检测所确定的估计颗粒数量，则颗粒数量的改进值IP例如可以基于以下公式来计算：

IP＝EP/CMP (2)

第二反射部分RF2的检测可以在每个测量周期被重复。随后可以基于来自不同测量周期的测量结果来执行第一补偿因数和改进的颗粒数量的计算。

要强调的是，根据公式(1)和(2)对颗粒数量的改进值IP的计算仅表示示例计算。特别地，可以使用其它适当公式来计算第一补偿因数和/或基于第一补偿因数计算颗粒数量的改进值。例如，可替换地或另外地，例如取决于反射器R的表面的系数或查找表可以用于提高颗粒数量的计算的准确性。

在传感器***的操作时间或寿命期间，第一补偿因数或TOP值可能由于污染物C1、C2会增加而变得较低。例如，为了检查TOP针对可靠操作是否变得过低，能够基于第一补偿因数来计算质量水平或质量指标。传感器***的用户例如可以根据质量指标来更换或清洁传感器***。可替换地或另外地，发射器所发射的光的发射强度可以根据质量指标而增大。以这种方式，可以在更长时间内确保可靠操作。

在另外的实施方式中，介质中颗粒数量的确定可以通过去除或避免颗粒PT对第一补偿因数的影响而进一步得到改进。例如，这可以利用一阶线性估计来进行和/或例如使用另外的查找表来进行。

在一些实施方式中，传感器设备SD包括另外的光敏元件，例如光电二极管，特别是常规光电二极管。特别地，该另外的光敏元件并不一定包括SPAD或SPAD的阵列。在这样的实施方式中，替代第一补偿因数或者除了第一补偿因数，可以确定第二补偿因数。

发射器单元，例如发射器或另外的发射器，可以被配置为例如沿另外的发射方向来发射光的第二脉冲P2。该另外的发射方向可以等同于发射器的发射方向，特别是如果第二脉冲P2由发射器发射。在第二脉冲P2由另外的发射器发射的实施方式中，该另外的发射方向可以等同于或不同于发射器的发射方向。

另外的光敏元件被配置为在另外的时间窗口期间检测第二脉冲P2的反射部分RFS。第二脉冲P2的反射部分RFS的检测例如包括在另外的时间窗口期间感测到达另外的光敏元件的光的强度。特别地，在另外的时间窗口期间对撞击在另外的光敏元件上的反射进行计数并非是必需的。

另外的时间窗口的时序可以为使得第二脉冲P2的反射部分RFS可以包括来自反射器R的反射。特别地，另外的反射时间对应于沿另外的最小长度路径传播的第二脉冲P2的光部分到达光敏元件时的时间点。其中，该另外的最小长度路径是用于由发射器单元特别是沿另外的发射方向发射、从反射器R反射并且被另外的光敏元件检测到的光射线的路径。该另外的反射时间可以处于该另外的时间窗口内。

另外的最小长度路径可以与最小长度路径相同或者不同，这取决于另外的发射方向以及另外的光敏元件相对于发射器单元和反射器R的位置。

如同第一脉冲P1的发射以及第一和/或第二反射部分RF1、RF2的检测，第二脉冲P2的发射以及第二脉冲P2的反射部分RFS的检测可以以循环方式重复。

虽然第一脉冲可能特别地是具有大约纳秒或数十纳秒的脉冲长度的高速脉冲，但是第二脉冲P2例如可以较慢，例如处于微秒范围内。

根据第二脉冲P2的反射部分RFS的检测的第二补偿因数例如可以如上文关于第一补偿因数所描述那样类似地计算。

在一些实施方式中，可以使用同步解调器，其可以具有可减少周围光影响的优点。

图3示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式以及根据改进的概念的方法的另外的示例性实施方式的方面。例如，图3的传感器***可以基于或者可以等同于图1A的传感器***。

图3示出了第一脉冲P1的第三反射部分RF3。第三反射部分RF3受到来自盖或外罩CV和/或来自存在于盖或外罩CV上的第二污染物C2的反射的影响。以这种方式，由于从第二污染物C2反射，第三反射部分RF3可以在不离开传感器SD的情况下到达光敏元件。这种现象被称为光学串扰。

可替换地或者除了如关于图2所描述的第一脉冲P1的第二反射部分RF2和/或第二脉冲P2的反射部分RFS的检测之外，可以由光敏元件在如图4所示的第三时间窗口TW3期间检测第一脉冲P1的第三反射部分RF3。第三时间窗口TW3处于第一时间窗口TW1之前。特别地，沿发射器和光敏元件之间的光学串扰路径传播的光的TOF大于第一脉冲的结束时间与第三时间窗口的起始时间之差，并且小于第一脉冲的起始时间与第三时间窗口的结束时间之差。

串扰补偿因数例如可以根据对第三反射部分RF3的检测来确定。特别地，由于反射部分RF3所引起的测量信号越高，存在的污染物C2就越多。因此，通过使用串扰补偿因数来校正基于第一反射部分RF1的检测所确定的颗粒数量或者使用第一和/或第二补偿因数所计算的改进的颗粒数量，可以进一步改进测量准确性。

图4示出了根据改进的概念的传感器***的另外的示例性实施方式的测量信号的时序图。传感器***例如可以是如关于图1A、1B、2和3所描述的传感器***。

在图4的每个图中，示出了第一、第二和第三时间窗口TW1、TW2、TW3。时间在x轴线上示出。在y轴上示出了由处理单元PU基于光敏元件在第一、第二和第三时间窗口TW1、TW2、TW3期间的检测所生成的测量信号。测量信号例如可以对应于基于检测器单元DU的SPAD或SPAD阵列的检测所生成的直方图数据。

图4的顶部图对应于测量室MC中存在第一和第二污染物C1、C2以及颗粒PT的情形。在第三时间窗口TW3期间，测量由于如关于图3所描述的光学串扰而具有高值。在第一时间窗口TW1期间，测量信号由于第一反射部分RF1的检测而具有中间值。在第二时间窗口TW2期间，测量信号由于对从反射器R反射的反射部分RF2的检测而相对于第一时间窗口TW1再次增大。

图2的中间图对应于测量室MC中存在颗粒PT但是不存在第一和第二污染物C1和C2的情形。例如，这可以对应于传感器***制造之后不久的情形。在这种情况下，测量信号在第三时间窗口TW3中很低或者为零，因为光学串扰的量由于不存在第二污染物C2而减小。与图4的顶部图相比，测量信号在第一时间窗口TW1中增大，因为第一反射部分RF1不受第二污染物C2的吸收的影响。相对于图4的顶部图，测量信号在第二时间窗口TW2中也增大，因为第二反射部分RF2既不受第一污染物C1的光吸收的影响也不受第二污染物C2的光吸收的影响。

图4的底部图对应于其中测量室MC中存在第一和第二污染物C1、C2但是不存在颗粒PT或者存在数量可忽略的颗粒PT的情形。在这种情况下，第三时间窗口TW期间测量信号中反映的串扰具有与图4的顶部图中相似的值。与图4的顶部和中间图相比，测量信号在图4的底部图中的第一时间窗口期间大幅减小。这是由于如下事实：不存在或基本上不存在来自颗粒PT的反射，因此在第一时间窗口TW1期间没有或者数量可忽略的第一反射部分RF1到达光敏单元。在第二时间窗口TW2中，测量信号由于对从反射器R反射的第二反射部分RF2的检测而相对于第一时间窗口TW1再次增大。

图5示出了根据改进的概念的传感器***的传感器设备SD的示例性实施方式的框图。

传感器设备SD包括处理单元PU、检测器单元DU和发射器单元EU。发射器单元EU包括发射器E，例如激光器，特别是VCSEL或边缘发射激光器。检测器单元DU包括光敏元件，例如包括SPAD的阵列SP。可选地，检测器单元DU包括另外的光敏元件，例如包括一个或更多个光电二极管PD，特别是常规光电二极管。

处理单元PU例如包括数据处理器DP、SPAD处理器SPP，以及可选地光电二极管处理器PDP。SPAD阵列SP连接至SPAD处理器SPP，同时光电二极管PD例如连接至可选的光电二极管处理器PDP。此外，发射器E连接至SPAD处理器SPP，并且可选地连接至可选光电二极管处理器PDP。SPAD处理器SPP以及可选地光电二极管处理器PDP连接至数据处理器DP。传感器设备SD和传感器***的操作已经如关于图1A至4进行了解释。

基于第一时间窗口TW1期间对第一反射部分RF1的检测，以及可选地基于在第二时间窗口TW2期间检测到的第二反射部分RF2和/或在第三时间窗口TW3期间的第三反射部分RF3，SPAD处理器SPP例如被配置为基于所计数的在相应时间窗口期间撞击在SPAD阵列SP上的反射来生成直方图数据。基于相应的直方图数据，数据处理器DP例如被配置为计算介质中的颗粒数量、第一补偿因数、串扰补偿因数，和/或基于估计颗粒数量和相应补偿因数计算改进的颗粒数量。

可选地，光电二极管处理器PDP被配置为根据一个或更多个光电二极管PD在另外的时间窗口期间检测到的第二脉冲P2的反射部分RFS的强度来生成光电二极管信号。基于光电二极管信号，数据处理器DP例如被配置为确定第二补偿因数，并且如关于图2所描述的那样校正介质中的颗粒数量。

在关于图1A至5的描述中，第一、第二和第三反射部分RF1、RF2、RF3被认为是第一脉冲P1的反射部分。然而，不同的反射部分的测量原则上也可以针对不同测量周期的第一脉冲P1来执行。

此外，在图1A、2和3的示例中，检测器单元和发射器单元DU、EU例如都包含在传感器设备SD的单个芯片模块中。在一些实施方式中，检测器单元DU、发射器单元EU和处理单元PU例如可以包括在相同的IC中。在可替换实施方式中，发射器EU可以独立于具有检测器单元DU的IC来实施。在这样的实施方式中，发射器单元EU可以包括在与包括检测器单元DU和处理单元PU的IC相同的芯片模块，或者可以在单独的芯片模块中实施。

在可替换的实施方式中，传感器***可以包括例如在检测器单元DU或者附加检测器单元中实施的附加光敏元件，其未在图1A至5中示出。光敏元件、另外的光敏元件和/或附加光敏元件例如可以被配备有不同的光学滤波器，以用于检测具有不同波长的光。以这种方式，例如，不同的颗粒大小、不同的颗粒类型或者不同类型的污染物C1、C2可以利用不同的光敏元件来检测。所描述的实施方式可以被容易调整以考虑附加光敏元件。

类似地，在可替换实施方式中，可替换地或除了附加光敏元件之外，传感器***可以包括被配置为发射具有不同波长的光的附加发射器单元或发射器。而且，以这种方式，不同的颗粒大小、不同的颗粒类型或者不同类型的污染物C1、C2可以被区分。

在其中介质是空气的实施方式中，根据改进的概念的传感器***和方法例如可以用于分别确定空气污染或空气污染物的程度或者空气质量的程度。

在其中介质是例如水的液体或者另一种液体溶剂或液体物质的实施方式中，根据改进的概念的传感器***和方法例如可以用于分别确定液体或水污染物的程度或者液体或水的质量的程度。这样的实施方式例如可以在洗衣机、洗碗机或过程工程***中使用，特别是在物理、化学或生物工程***中使用。

附图标记

MC 测量室

R 反射器

O 开口

SD 传感器设备

DU 检测器单元

EU 发射器单元

C 载体

CV 盖或外罩

B 挡光板

PT 介质中的颗粒

C1,C2 污染物

P1,P2 光脉冲

RF1,RF2, 反射部分

RF3,RFS

TW1,TW2,TW3 时间窗口

TR 反射时间

SP SPAD阵列

PD 光电二极管

E 发射器

SPP SPAD处理器

PDP 光电二极管处理器

DP 数据处理器

PU 处理单元

Claims (15)

1.一种用于检测存在于测量室(MC)中的介质中的颗粒的方法，所述方法包括：

-由发射器单元(EU)沿所述发射器单元(EU)的指定发射方向将光的第一脉冲(P1)发射至测量室(MC)中；

-由光敏元件在第一时间窗口(TW1)期间检测第一脉冲的第一反射部分(RF1)；以及

-根据第一时间窗口(TW1)期间的检测来确定介质中的颗粒数量；

-其中用于由发射器单元(EU)发射的、从测量室(MC)的反射器(R)反射的且由光敏元件检测到的光射线的最小长度路径由所述发射方向且由反射器(R)、发射器单元(EU)和光敏元件的相互布置来限定；以及

-其中第一脉冲(P1)的起始时间与第一时间窗口(TW1)的结束时间之差小于沿最小长度路径传播的光的飞行时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：

-在一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)期间检测

-由发射器单元(EU)发射到测量室(MC)中的光的第二脉冲(P2)的反射部分(RFS)；和/或

-第一脉冲(P1)的另外的反射部分(RF2,RF3)，反射部分(RFS)和/或另外的反射部分(RF2,RF3)受到测量室的污染物，特别是反射器的污染物，和/或盖或外罩的污染物的光吸收的影响；以及

-根据所述一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)期间的检测来确定至少一个补偿因数，其中所述颗粒数量进一步基于所述一个或更多个补偿因数来确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个补偿因数的确定包括将根据所述一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)期间的检测的至少一个测量值与至少一个预定参考值进行比较。

4.根据权利要求2或3之一所述的方法，其中

-所述一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)包括在第一时间窗口(TW1)之后的第二时间窗口(TW2)；

-所述方法包括由光敏元件在第二时间窗口(TW2)期间检测第一脉冲(P1)的第二反射部分(RF2)；以及

-所述至少一个补偿因数根据第二时间窗口(TW2)期间的检测来确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中沿最小长度路径传播的光的飞行时间-大于第一脉冲(P1)的结束时间与第二时间窗口(TW2)的起始时间之差；并且

-小于第一脉冲(P1)的起始时间与第二时间窗口(TW2)的结束时间之差。

6.根据权利要求2至5之一所述的方法，其中

-所述一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)包括在第一时间窗口(TW1)之前的第三时间窗口(TW3)；

-所述方法包括由光敏元件在第三时间窗口(TW3)期间检测第一脉冲(P1)的第三反射部分；以及

-所述至少一个补偿因数根据第三时间窗口(TW3)期间的检测来确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中沿发射器单元(EU)和光敏元件之间的光学串扰路径传播的光的飞行时间

-大于第一脉冲(P1)的结束时间与第三时间窗口(TW3)的起始时间之差；并且

-小于第一脉冲(P1)的起始时间与第三时间窗口(TW3)的结束时间之差。

8.根据权利要求2至7之一所述的方法，其中

-所述一个或更多个另外的时间窗口(TW2,TW3)包括第四时间窗口；

-所述方法包括由另外的光敏元件在第四时间窗口期间检测第二脉冲(P2)的反射部分；以及

-所述至少一个补偿因数根据第四时间窗口期间的检测来确定。

9.根据权利要求8所述的方法，其中

-用于由发射器单元(EU)发射的、从反射器(R)反射的且由另外的光敏元件检测到的光射线的另外的最小长度路径由发射器单元(EU)的指定的另外发射方向且由反射器(R)、发射器单元(EU)和另外的光敏元件的相互布置来限定；

-沿另外的最小长度路径传播的光的飞行时间大于第二脉冲(P2)的结束时间与第四时间窗口的起始时间之差；并且

-沿另外的最小长度路径传播的光的飞行时间小于第二脉冲(P2)的起始时间与第四时间窗口的结束时间之差。

10.根据权利要求8或9之一所述的方法，其中检测第二脉冲(P2)的反射部分(RFS)包括在第四时间窗口期间感测到达所述另外的光敏元件的光的强度。

11.根据权利要求2至10之一所述的方法，还包括根据所述至少一个补偿因数来确定质量指标，所述质量指标指示发射器单元、光敏元件和/或测量室(MC)的污染物。

12.根据权利要求1至10之一所述的方法，其中确定颗粒数量包括在第一时间窗口(TW1)期间对撞击在光敏元件上的光反射的数量进行计数。

13.根据权利要求1至12之一所述的方法，其中光敏元件包括一个或更多个雪崩光电二极管和/或一个或更多个单光子雪崩二极管。

14.一种用于检测存在于测量室(MC)中的介质中的颗粒的传感器***，所述传感器***包括所述测量室，所述传感器***还包括：

发射器单元(EU)，被配置为沿所述发射器单元(EU)的指定发射方向将光的第一脉冲(P1)发射到测量室(MC)中；

光敏元件，被配置为在第一时间窗口(TW1)期间检测第一脉冲(P1)的第一反射部分(RF1)；以及

处理单元(PU)，被配置为根据第一时间窗口(TW1)期间的检测来确定介质中的颗粒数量；

其中

用于由发射器单元(EU)发射的、从测量室(MC)的反射器(R)反射的且由光敏元件检测到的光射线的最小长度路径由所述发射方向且由反射器(R)、发射器单元(EU)和光敏元件的相互布置来限定；以及

第一脉冲(P1)的起始时间与第一时间窗口(TW1)的结束时间之差小于沿最小长度路径传播的光的飞行时间。

15.根据权利要求14所述的***，所述***包括集成电路，所述集成电路包括光敏元件和处理单元(PU)。