CN108885162A - 使用光片生成和散射分析的颗粒物测量 - Google Patents

Abstract

公开了用于使用平顶强度激光片光束生成的介质(诸如空气)中的颗粒物(PM)测量的技术。用于生成激光片光束的技术可包括非专用光学元件(例如，非球面透镜、球面透镜、双凸面透镜和/或柱面透镜)，其具有成本效率，减少了系统的总占用面积，并且还提供相较于传统技术增加的功率效率。PM测量系统可使用与介质流动通道组合的所生成的激光片光束，以使介质穿过激光片光束，由此使得该介质内的颗粒对光进行散射，其可以使用光传感器(例如，光电检测器)来检测。随后可以分析散射光信号以使其与对应的颗粒尺寸匹配，并且可以确定每个颗粒尺寸的信号的量，以测量介质内的颗粒的尺寸和计数。

Description

使用光片生成和散射分析的颗粒物测量

背景技术

激光器是基于电磁辐射的受激发射通过光学放大过程来发射光的设备。激光器不同于其他光源在于其相干地发射光。空间相干性允许激光聚焦到紧密点，从而实现诸如激光切割和光刻之类的应用。虽然对于激光存在不同的空间模式，但最常用的是TEM00模式，在该模式下，激光以高斯强度分布生成。高斯强度分布或高斯光束具有横向电场和强度(辐照度)分布，其通过高斯函数很好地被近似。

附图说明

图1A-图1B图示出根据本公开的一些实施例的用于平顶强度激光片光束生成的示例系统。

图2A-图2B图示出根据本公开的实施例的示例绘图，其示出对图1A-图1B的系统的平顶强度激光片生成进行验证的实验结果。

图3图示出根据本公开的实施例的使用图1A-图1B的系统进行光束整形之前和之后的XY平面中的激光光束分布。

图4A-图4B图示出根据本公开的一些实施例的本文中所描述的用于生成平顶强度激光片光束的技术相较于用于生成此类激光片光束的传统技术的能效。具体地，图4A图示出如所示利用大量的光束限幅的用于生成平顶强度激光片光束的传统系统，并且图4B图示出根据本文中的实施例的使用非专用光学元件用于生成平顶强度激光片光束的示例系统，其利用最小的光束限幅到不利用光束限幅。

图5A-图5B和图6图示出根据本公开的一些实施例的用于使用光片(light sheet)生成进行颗粒物(PM)测量的示例系统。如根据本公开可以理解，根据一些实施例，该PM测量系统可包括参考图1A-图1B描述的用于平顶强度激光片光束生成的系统，但其他实施例可使用其他片光生成装置。

图7A图示出根据本公开的一些实施例的使用如本文中以各种方式所描述的用于颗粒物测量的系统的包括近似单调和非单调响应的针对光传感器信号幅度相对于颗粒尺寸的光散射绘图结果。

图7B图示出根据本发明的一些实施例的来自图7A的绘图的单调响应，包括将数据组织到示例箱中以解决响应的非单调区域。

具体实施方式

公开了用于使用光片生成来进行介质(诸如空气)中的颗粒物(PM)测量的技术。这些技术可以在相对低成本并且适合于个人使用的小型的便携式PM测量系统中实现。在一些示例情况下，该系统包括用于生成平定强度激光片光束的元件部分。该元件部分可包括例如被引导至第一光学组件(例如，非球面或球面或双凸面透镜)的光源(例如，激光二极管)，该第一光学组件被布置成用于接收光并生成球面像差(例如，三阶正像差)。系统还可包括用于将光聚焦在平面中并用于生成激光片光束或所谓的光片的第二光学组件(例如，柱面透镜)。PM测量系统可使用与介质流动通道组合的所生成的光片来使该介质穿过该光片，从而使得介质中的颗粒在那些颗粒穿过该光片时对光进行散射。可以使用光传感器(例如，光电检测器)来检测散射光，该光传感器也包括在该系统中。每一个散射光信号有效地具有可以与颗粒尺寸相关的特征。例如，可以根据经验或者基于理论分析来确定相关性。在任何情况下，随后可以分析每一个散射光信号以使其与对应的颗粒尺寸相匹配。另外，对应于任何一个颗粒尺寸(或范围)的散射光信号的量也可以通过对那些信号进行计数来确定。因此，PM测量系统可以被配置成用于测量介质内的颗粒的尺寸和数量两者。随后可以使用介质的流动速率以及流动通道几何结构来计算介质中PM的浓度。用于生成激光片光束的元件部分可以利用有成本效率的非专用的光学元件来实现，从而减少系统的工作距离和总体积/占用面积，并且还提供相较于用于制作激光片光束的传统技术相对增加的功率效率。如基于本公开可以理解，用于生成光片的技术的那些益处可被变换到PM测量系统，包括用于例如实现允许用于评估PM水平(出于健康原因、出于基于实验室的实验的或分析的原因或任何其他原因)的便携式和/或可穿戴应用的此类技术。根据本公开，众多变型和配置将是显而易见的。

总体概述

空气中的颗粒物(PM)水平由全世界的环境政府机构监管。这些机构设置空气中允许的PM水平的限制，并且取决于任何给定时间的颗粒物水平来努力发布危险水平。考虑到呼吸含颗粒的空气对人的健康的影响，尤其在发展中国家，由于颗粒物造成的空气污染是关注的问题。颗粒物水平危险类别还取决于颗粒物的尺寸。例如，美国国家环境保护局(EPA)将粗微粒分类为直径10微米或更小，并且将细微粒分类为直径2.5微米或更小。典型地基于其尺寸来指代颗粒物，其中，'PMx'表示颗粒物的尺寸，其中x表示此类颗粒物的以微米为单位的最大直径。因此，粗微粒被称为PM10，并且细微粒被称为PM2.5。当前，PM2.5水平由于其对例如呼吸、心血管和神经血管疾病的影响而受到关注。在发展中国家，尤其在冬季，政府常常由于过高的PM2.5水平而发布健康警告。PM2.5颗粒由于其更小的尺寸使得它们对于人体而言相对更难以过滤掉(例如，相较于PM10颗粒)并且允许此类细微粒潜在地进入到人体的循环中而造成更大的健康风险。当前利用光学检测方法以用于测量空气中的PM水平的设备和系统有众多缺点。示例缺点包括：太大而不能实际携带、缺乏电池操作、由于高功耗而不适于电池操作、制造或使用昂贵、以及在颗粒尺寸测量方面具有限制，仅举数例。

因此，根据本公开的一个或多个实施例，提供了用于使用光片生成的颗粒物(PM)测量的技术。根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，PM测量包括确定介质中的微粒尺寸和/或评估介质中的微粒水平，该介质诸如，气体(例如，空气)、液体(例如，水)或胶体(例如，水凝胶)。如先前所描述，最常用的激光空间模式是TEM00模式，其实现具有高斯分布的激光光束。在一些实施例中，为了获得光片，诸如TEM00模式激光的高斯分布之类的原始激光分布不得不被转化为所期望的分布，所期望的分布可包括平顶强度激光片分布。用于实现平顶强度激光分布的当前技术一般要求复杂的定制元件(诸如，吸收透镜、二元相位光栅、可变形反射镜和专用衍射光学器件)，这些元件难以制造并且因此成本高昂并更加不可用于广泛的采用和使用。而且，复杂的定制元件还要求长工作距离来实现所期望的平顶强度激光片分布。因此，本文中公开了适合于平顶强度激光片光束生成的元件部分。在一些实施例中，该元件部分可以用于生成光片，其进而可以用于基于随着颗粒穿过光片而散射的光来测量介质中的颗粒物水平。为实现此目的，并且根据一些此类实施例，提供PM测量系统，其中，用于平顶强度激光片光束生成的元件部分与一个或多个光传感器(诸如，一个或多个光电检测器)以及用于使介质跨激光片光束移动的设备(诸如，介质为空气的情况下的空气移动设备)组合使用，以测量介质中的颗粒物水平。

在一些实施例中，可以使用有效地降低实现激光分布的成本的非专用元件来实现用于平顶强度激光片光束生成的系统，并且该系统还可以允许相较于其他系统的更小的形状因子。如本文中与用于光片(例如，平顶强度激光片光束)生成的技术/系统组合使用的此类非专用元件包括例如，球面光学透镜、非球面光学透镜、双凸面光学透镜、柱面光学透镜或者此类透镜的组合。这些非专用元件相较于在用于平顶强度激光片光束生成的其他技术中使用的专用元件是相对低成本的，这些专用元件诸如，吸收透镜、二元相位光栅、可变形反射镜和专用衍射光学器件，以提供数个示例。如先前所描述，此类专用元件是复杂的且高度定制的，使得制造专用元件是困难的且成本高昂的。另外，例如，由于非专用光学元件的更小的直径和短工作距离，使用此类专用元件的系统相较于本文中所描述的平顶强度激光片光束生成系统具有更大的尺寸/体积/形状因子。进一步地，本文中根据一些实施例所描述的系统比其他系统更高效，并且因此它们使用相对更少的功率，使得它们对于电池供电的应用而言是切合实际的。如根据本公开将显而易见的是，本文中所描述的使用非专用元件的用于平顶强度激光片光束生成的系统的所有的益处和优势可以在也在本文中描述的PM测量系统中实现。例如，使用非专用元件的平顶强度激光片光束生成系统的相对小的体积/形状因子和相对较低的功耗可使得PM测量系统能够适合于便携式和/或可穿戴应用。该应用可以是例如，诸如用于评估正在被呼吸的环境空气的质量的医疗应用、或者诸如用于评估洁净室环境(例如，晶片制造设施)内的微粒的制造应用、或者诸如用于评估给定介质(例如，空气、液体或能够携带颗粒的其他可流动介质)内的颗粒的科学应用，以举出数个示例应用。

在一些实施例中，通过采用高斯分布激光源并使用三阶正像差以获得与在激光片厚度方向上压缩激光强度分布组合的沿激光片长度方向的均匀强度，来实现平顶强度激光片分布。在一些实施例中，用于生成此类平顶强度激光片分布的系统可包括激光二极管、非球面(或球面或双凸面)透镜和柱面透镜。在一些此类实施例中，激光二极管提供高斯分布激光源(例如，在TEM00下操作)。进一步地，在一些此类实施例中，非球面(或球面或双凸面)透镜可以在激光源上生成三阶正像差，这可以通过将透镜与激光二极管对齐并且使透镜的非球面/球面朝向激光二极管以接收高斯分布激光源来实现。如基于本公开可以理解，由非球面透镜引起的三阶正像差仅在单个平面中创建具有正像差的准直光束。由于缺少所创建的焦点，球面像差(诸如，三阶正像差)典型地在激光系统中被避免。然而，如根据本公开将显而易见的是，在本文中根据一些实施例所描述的系统中，球面像差可以用于帮助实现所期望的平顶强度激光分布。更进一步地，在一些此类实施例中，柱面透镜可接收来自非球面透镜的光束，以将该光束聚焦在另一平面中，并且由此创建平顶强度激光片。所生成的激光片的具体分布可取决于各种因素，诸如，激光输出发散角、激光焦距、激光尺寸和由第一透镜引起(例如，由非球面或球面或双凸面透镜引起)的三阶像差量。换言之，如根据本公开将显而易见的是，非球面(或球面或双凸面)透镜可以用于使用球面像差来生成平顶激光分布，并且柱面透镜可以用于通过将激光仅在一个方向上聚焦来生成光片，其中，两者的组合实现了所期望的平顶强度激光片分布。

在一些实施例中，本文中所描述的技术可以用于颗粒物(PM)测量。在一些此类实施例中，这些技术被实现为包括本文中所描述的用于平顶强度激光片光束生成以生成光片的子系统的PM测量系统。利用诸如平顶强度激光光片之类的均匀强度光束，可以有助于确保颗粒散射仅基于该颗粒的直径，并且不受光束本身影响。例如，在高斯(非均匀)光束分布的情况下，由于光束不具有光片方向上的均匀强度，来自PM测量系统中的颗粒的散射光能量将不仅仅基于颗粒的直径，而且还基于微粒与高斯激光光束分布的交叉位置，由此使得颗粒在穿过光束的中心线时相对于朝向光束的边缘穿过时散射更多光。在一些实施例中，PM测量系统进一步包括用于使正在测量的介质跨光束移动的设备，诸如，介质为空气的情况下的空气移动设备，例如，其可包括用于吹动空气穿过光的正空气压力设备(例如，风扇或压电膜片)或用于抽吸空气穿过光的负空气压力设备(例如，反向风扇或真空)。在一些此类实施例中，当介质中的微粒穿越光片时，光能量对应于颗粒物的直径而被散射。在一些实施例中，PM测量系统进一步包括诸如一个或多个光电检测器之类的一个或多个光传感器设备，以接收由穿越光片的颗粒物所散射的光能量。在一些此类实施例中，诸如一个或多个透镜之类的一个或多个可选的光学设备可在系统中使用以辅助将散射的光能量引导至光传感器。在一些实施例中，PM测量系统包括用于将基于散射的光能量所生成的光传感器信号转换为电压信号的电气电路，该电压信号可以被分析以确定PM尺寸和/或数量。在一些实施例中，PM测量系统可操作地耦合到控制器(例如，微控制器)和/或处理器(例如，微处理器)以处理基于PM测量所生成的电压信号，并且生成与正在被检验的介质内的颗粒的尺寸和/或数量相关的数据。在一些实施例中，如将在本文中更详细地描述，PM测量系统的一个或多个组件可包含在外壳中。

在一些实施例中，用于PM测量的技术可从使用如本文中所描述地生成的平顶强度激光片光束获得众多益处。例如，本文中所描述的激光片光束生成系统所需要的更短的工作距离和更小的总体积可变换为更小的、更紧凑的PM测量系统(例如，相较于其他PM测量系统)。进一步地，本文中所描述的激光片光束生成系统的成本效益可变换为更具有成本效率的PM测量系统(例如，相比于其他PM测量系统)。更进一步地，本文中所描述的激光片生成系统的效率可变换为具有增加的功率效率的PM测量系统(例如，相比于其他PM测量系统)。另外，使用本文中所描述的PM测量技术可以能够测量小颗粒(例如，尺寸小于2.5或1微米的颗粒)并以相对高的精度在微粒之间进行区分(例如，能够在尺寸相差0.05微米、0.1微米、0.15微米、0.2微米、0.25微米、0.3微米、0.35微米、0.4微米、0.45微米或0.5微米的颗粒之间进行区分)。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，本文中所描述的PM测量技术可以能够测量0.1微米至100微米范围中(例如，0.3至10微米)或任何其他合适的微粒尺寸的微粒。例如，在一些此类实施例中，更高的激光功率和/或更大的信号放大可用于辅助测量具有小于0.3微米的直径的微粒。进一步地，在一些此类实施例中，例如，取决于最终用途或目标应用，该系统可被配置成用于测量具有大于10微米的直径的微粒。相应地，本文中所描述的PM测量技术实现了可以对颗粒进行度量和计数的紧凑的低功率设备。用于此类PM测量系统的示例应用(具有低功率、小形状因子平台)将实现用于监测空气中的颗粒水平的个人空气质量测量设备。此类示例设备可被实现为便携式和/或可穿戴电子平台的部分，其可包括与诸如手表、徽章、钥匙链、桌面单元、腰带、鞋、头戴式配件和服装之类的物品的集成，仅举数例。在一些实例中，此类设备可被实现为物联网(IOT)平台或方案(例如，智能城市方案或工业工人安全平台之类的环境监测平台)的部分。

本文中所描述的技术可以以任何合适的方式进行检测。例如，为了根据一些实施例配置的平顶强度激光片光束生成系统的检测，可以使用视觉检查和/或逆向工程来判定此类系统是否包括例如串联的激光二极管、非球面透镜和柱面透镜。进一步地，根据一些实施例用于测量颗粒物的系统还可包括气流设备以及一个或多个光传感器(例如，光电检测器)。更进一步地，根据一些实施例，该系统可以操作地耦合到包括控制器(例如，微控制器)和/或处理器(例如，微处理器)的电气电路，以处理颗粒物读数，控制激光二极管，控制空气移动设备和/或操纵所收集的数据，从而确定给定介质中的微粒的尺寸和数量。又进一步地，根据一些实施例，用于测量颗粒物的系统可被包括在辅助PM测量过程的外壳中，诸如，通过基本上减少或消除外壳内的由空气移动设备提供的气流之外的气流，减少或消除外壳外部的光(不是由系统中的激光二极管提供的光)和/或减少或消除来自激光二极管光的非期望的反射。另外，可以检查产品文献、广告和其他材料以判定是否存在本文中以各种方式描述的系统的组件。在一些情况下，检测本文中所描述的技术/系统可基于检测本文中所描述的益处中的一者或多者。根据本公开，众多变型和配置将是显而易见的。

平顶强度激光片光束生成

图1A-图1B图示出根据本公开的一些实施例的用于平顶强度激光片光束生成的示例系统100。根据一些实施例，虽然系统100在本文中被称为包括多个组件的系统，但系统100可以是包括系统100的所有元件部分的单个设备。如图1A-图1B所示，系统100包括激光二极管110、非球面透镜120、柱面透镜130以及工件140。图1A图示出XZ平面中的系统100，其中光115光线追迹通过光学元件120和130。图1B图示出YZ平面中的系统100，其中光115光线追迹通过光学元件120和130。注意，YZ平面垂直于XZ平面。距离Dl是激光二极管110的发光部分与球面透镜120之间的距离，距离D2是非球面透镜120与柱面透镜130之间的距离，并且D3是柱面透镜130与工件140之间的距离。距离Dl、D2和D3也将用于讨论那些截面中的光115以及光115如何受光学组件120和130影响。系统100和包括在其中的组件将在下文更详细地描述。

在该示例实施例中，系统100的光源是激光二极管110。然而，在其他实施例中，光源可以是能够产生激光的一些其他合适的光源。在该示例实施例中，激光二极管110在基横模或TEM00模式下操作，从而发出近似高斯分布的光束。在其他实施例中，激光二极管110可在诸如高阶模式(例如，TEM01、TEM10、TEM11、TEM02等)之类的其他合适的横模下操作。在此示例实施例中，从激光二极管发出的光115具有两个不同的发散角：快轴和慢轴。如所示，图1A-图1B的示例系统100中，光115在+Z方向上传播。放置激光二极管110，以使得作为较快的发散轴在XZ平面中的结果，在XZ平面中存在相对较大的发散角输出(如图1A中所示)。进一步地，放置激光二极管110，以使得作为较慢的发散轴在YZ平面中的结果，在YZ平面中存在相对较小的发散角输出(如图1B中所示)。比较图1A的区段Dl中的相对于图1B的区段Dl中的从激光二极管110发射的光115，可以看出，相较于图1B的YZ平面视图，在图1A的XZ平面视图中光115发散更快并且具有更大的角输出。如下文更详细地所讨论，此种对齐将与柱面透镜130的对齐相关。

在该示例实施例中，系统100包括两个任选的组件：非球面透镜120和柱面透镜130。如可以在图1A-图1B中看出，非球面透镜120以其非球面(或球形的或弯曲的)侧122朝向激光二极管110来放置，以使得光115首先穿过非球面透镜120的非球面侧122。随着光115穿过非球面透镜120，其生成球面像差，并且更具体地，生成三阶正像差。以此种方式，因为球面像差由于缺少所创建的焦点而通常被避免，所以以非典型的方式(例如，以与通常相反的方式)来使用非球面透镜120。在系统100中，因为球面像差导致光线115相对于系统100的光轴形成大角度，所以期望球面像差实现光115的平顶分布。如可以在图1A中看出(例如，区段D3示出了光线到达不同的焦点)，相对于光轴产生明显大角度的此类光线被带到不同的焦点。在一些实施例中，球面或双凸面透镜可以代替于非球面透镜120在系统100中使用，以创建球面像差。然而，如图1A所示取向的非球面透镜引起相较于类似尺寸的球面透镜更大的球面像差，从而允许最小化工作距离。XZ平面中具有正像差的准直光束(例如，区段D2中的光)随后穿过柱面透镜130，其仅将光115聚焦在YZ平面中。

注意，虽然光115在图1B中被示出为在穿过非球面透镜120之后(例如，在区段D2中)是完全地准直的以使得在光线传播时该光线是平行的并且将最小地分散，但本公开不需要限于此。在实际应用中，实现如图1B的区段D2中所示出的完全地准直的光是困难的或不可能的。例如，如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，图1B的YZ平面中的光在穿过非球面透镜之后可以是基本上准直的，以使得光线单独地或共同地从精确平行偏离0.5度、1度、2度、3度、5度、10度、15度或20度、或者一些其他合适的量。进一步地，在一些实施例中，为了提供特定示例，或者基于如根据本公开将显而易见的一些其他的合适的相对测量，可相对于非球面透镜120测量光是否基本上准直，以使得基本上准直意指光线在特定距离之前(诸如，在Dl(激光二极管110和非球面透镜120之间的距离)的至少1倍、2倍、3倍、5倍、10倍或20倍之前)不会扩散超过透镜120的直径。在一些此类实施例中，即使光线扩散超过透镜120的直径，仍可以生成平顶强度激光片光束。然而，在光线不扩散或最小地扩散超过透镜120的直径所在的实例中，系统100可以是更高效的，因为与此类光线相关联的光学功率将被浪费。

在该示例实施例中，在图1A中所图示的XZ平面中，三阶像差效应由于在该平面中(例如，相较于在YZ平面中)更大的激光二极管发散角而占据主导地位。作为结果，例如，外围光线与近轴光线不聚焦在同一点上，导致强度重新分布，并且生成平顶强度激光片光束分布中的均匀的平顶分布部分。在图1B所图示的YZ平面中，由于在该平面中取向使激光二极管发散角较小，光束115经历少得多的像差，并且另外，YZ平面中的光束生成良好聚焦的点，柱面透镜130的焦点位于该点。相应地，例如，柱面透镜130可以用于在光片厚度方向上压缩激光强度分布，造成平顶强度激光片光束分布中的激光片部分。XZ方向上的平顶分布与YZ方向上均匀聚焦的点的组合允许实现平顶强度激光片分布。

如根据本公开将显而易见的是，系统100是高度可定制和可配置的，因为可以按照期望来选择组件110、120和130以及距离Dl、D2和D3。例如，各种不同的激光二极管和激光光源可以用于提供系统100中的光源，并且可基于系统100的所期望的功率、尺寸和/或应用来选择光源的属性。在一些情况下，激光二极管和激光片厚度目标可指定可以选择的透镜的不同组合。在一些情况下，平顶强度生成可取决于第一光学组件的(例如，非球面透镜120的)激光输出发散角、焦距、以及尺寸和/或三阶正像差量的组合效应。在一些情况下，距离Dl和D2以及组件110、120和130在Z维度上的大小可确定系统100的尺寸。在一些此类情况下，距离D3也可贡献于系统100的工作距离，因为从柱面透镜130到工件140的距离可考虑在系统100所需要的总空间中。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，工件140可以是介质流动穿过以允许该介质内的颗粒物测量的位置。在一些实施例中，Dl可以是1.5mm加或减1mm，D2可以是2.5mm加或减1mm，并且D3可以是4mm加或减1mm，以提供数个示例大小。如基于本公开可以理解，由于与光学元件120和130相关联的相对较短的工作距离，相较于生成平顶强度激光片光束的传统系统，系统100具有相对整体更短的工作距离。如基于本公开可以理解，由于系统100的相对整体更短的工作距离，并且还由于能够利用相对较小直径的光学元件120和130，相较于生成平顶强度激光片光束的传统系统，系统100具有相对较小的占用面积。根据本公开，众多变型和配置将是显而易见的。

图2A-图2B图示出根据本公开的实施例的示例绘图210和220，其示出对系统100的平顶强度激光片生成进行验证的实验结果。使用用于测量激光光束分布的基于狭缝的光束扫描器来制作绘图210和220。图2A的绘图210图示出X轴上的激光光束分布，并且图2B的绘图220图示出Y轴上的激光光束分布。结果示出具有具有2.1mm×60微米的横截面XY平面尺寸和在X方向上的平坦区域的激光片，其覆盖约2mm的尺寸(从约4000微米到5800微米，如图2A中可见)。注意，可以通过限幅(例如，通过使光束通过适当尺寸的孔径)来移除图2A的绘图210中所示的侧峰。

图3图示出根据本公开的实施例在使用系统100对光束进行整形之前或之后的XY平面中的激光光束分布310和330。激光束分布310近似于高斯分布，因为该激光束分布310是由激光二极管110产生的分布。作为来自激光二极管110的激光穿过非球面透镜120并且随后穿过柱面透镜130以使得如本文所描述地以各种方式对光束进行整形的结果，激光光束分布320是由系统100生成的平顶强度激光片分布。

图4A-图4B图示出根据本公开的一些实施例的本文中所描述的用于生成平顶强度激光片光束的技术相较于用于生成此类激光片光束的传统技术的提高的能效。具体地，图4A图示出用于生成平顶强度激光片光束的传统系统。如图4A中所示，顶视图在XZ平面中，并且侧视图在YZ平面中，两个视图示出激光二极管410和由其生成的光415、占据具有长度Az和宽度Ax和高度Ay的区域的光学器件420A、以及使用机械快门435A来生成平顶强度激光片光束分布440A的光束限幅430A。如基于图4A可以理解，为了生成具有均匀强度的激光片光束，生成具有高斯强度分布的大型光束，并且仅使用该光束的中央区段，这通过使用机械快门435A阻挡光束的部分而经由光束限幅430A实现。如所示，虽然该传统技术可实现平顶强度激光片光束，但其导致实质上很大的所限幅的光部分445A。此类传统方法浪费相当大量的激光/光能量，因为激光二极管410是系统中最大功率消耗组件中的一个，并且因此该系统导致比使用本文中所描述的技术所能够实现的更低的功率效率。

图4B图示出根据实施例的如本文中所描述地使用用于生成平顶强度激光片光束的非专用的光学元件(例如，如图1A-图1B中所示的与柱面透镜对齐的非球面或球面或双凸面透镜)的系统。如图4B中所示，顶视图在XZ平面中，并且侧视图在YZ平面中，两个视图示出激光二极管410和由其生成的光415、占据具有长度Bz和宽度Bx和高度By的区域的光学器件420B、以及使用机械快门435B来生成平顶强度激光片光束分布440B的任选的光束限幅430B。例如，该系统中的激光二极管410和光学器件420B可以是图1A-图1B中所示和本文中所描述的相同的激光二极管110和光学器件120、130。此类系统允许创建平顶强度激光片光束的(例如，相较于图4A的传统系统)更高能效的方法，因为在该系统中可使用最小光束限幅到不使用光束限幅。例如，图4B的系统中的光束限幅430B是任选的，因为其不需要被包括。然而，如根据本公开将显而易见的是，甚至在其中使用光束限幅来清除所生成的光分布的边缘效应(例如，其中，在图4B中示出了所限幅的光445B)的实施例中，此类系统可仍然实现高于75％、80％、85％、90％或95％的能效或者一些其他合适的最小阈值效率。如基于本公开可以理解，使用更高效的光束整形技术可以显著地降低用于生成平顶强度激光片光束分布的系统的总功耗。如基于本公开可以理解，可以实现相对于传统技术的增加的效率，同时还实现体积更小的并因此具有更小的占用面积的系统。例如，图4A传统系统中的光学器件420A的体积具有(Az)(Ax)(Ay)的体积，其相对大于具有体积(Bz)(Bx)(By)的图4B的系统的体积。图4B的系统的此类更小的体积或覆盖面积可由于使用非专用光学元件而实现，使用非专用光学元件允许更小的工作距离(例如，允许Bz小于Az)，并且还允许系统的光学器件部分的更小的宽度和/或高度(例如，允许Bx小于Ax和/或允许By小于Ay)。根据本公开，用于生成平顶强度激光片光束的技术的众多其他益处将是显而易见的，并且根据一些实施例，此类益处可以有利地传递给PM测量技术，诸如本文中所描述的那些PM测量技术。

颗粒物(PM)测量

图5A-图5B和图6图示出根据本公开的一些实施例的用于使用光片生成的颗粒物(PM)测量的示例系统200。图6图示出图5A-图5B所图示的示例系统200。根据一些实施例，虽然系统200在本文中被称为包括多个组件的系统，但是系统200可以是包括系统200的所有元件部分的单个设备。如图5A-图5B中所示，系统200包括来自图1A-图1B的元件部分(例如，激光二极管110、非球面透镜120和柱面透镜130)。如根据本公开将显而易见的是，本文中关于系统100的所有先前的相关描述同样可适用于系统200。如所示，系统200包括流动通道240、光束挡块230、光传感器220、任选的光学透镜225、电子电路260和外壳210。还如所示，在该示例实施例中，电子电路260使用线路连接器262操作地耦合到激光二极管110和光传感器220。在该示例实施例中，图5A图示出XZ平面中的系统200，其中，光115光线追迹通过光学元件120和130，通过流动通道240，并且在光束挡块230处结束。图5A图示出YZ平面中的系统200，YZ平面垂直于XZ平面。如根据本公开可以理解，如本文中所讨论，距离Dl、D2和D3相同，流动通道240代替工件140。系统200和包括在其中的组件将在下文更详细地描述。

如先前所描述，激光二极管110和光学元件120、130可以用于生成平顶强度激光片光束，其穿过系统200中的流动通道240。在该示例实施例中，流动通道240提供向系统200提供外部介质，诸如，气体(例如，空气)、液体(例如，水)和/或胶体(例如，水凝胶)，其中，该介质包含要测量的颗粒。例如，在测量空气中的PM水平的情况下，流动通道240允许空气穿过激光片光束215，使得当空气中的颗粒经过激光片光束215时其对光进行散射。散射光引起短持续时间的光脉冲，其中，该脉冲的持续时间由颗粒行进速度和激光片光束215厚度确定。进一步地，光脉冲的峰值强度可基于颗粒的尺寸和所引起的相应的光散射角，并且还可以基于光传感器220(例如，光电探测器)角度覆盖222。随后可使用电子电路260将光传感器220信号转换为电压信号，电子电路260可包括模拟和/或数字电路(例如，用于将来自传感器220的模拟检测信号转换为其等效的数字的模数转换器)。控制器(例如，微控制器)和/或处理器(例如，微处理器)可以随后将电压信号数字化(或接收来自模数转换阶段的电压信号的数字化版本)并且将它们组织在不同的电压区间(bin)中，并且此类控制器/处理器可被包括在电子电路260中。每个电压区间可对应于颗粒直径尺寸或直径尺寸的范围，并且每一个箱中的每一个电压信号的出现次数可以用于确定有多少给定尺寸(或尺寸范围)的颗粒已经穿越光束215。因此，颗粒物交叉的数量(计数)可以用于确定例如诸如空气之类的介质中的不同尺寸的颗粒物的浓度水平。

如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，流动通道240可包括用于允许介质穿过平顶强度激光片光束215以使得可以测量介质中的颗粒物的任何合适的配置。在一些实施例中，可通过改变光学元件120(例如，非球面透镜)和/或光学元件130(例如，柱面透镜)的曲率和/或通过改变距离D1(例如，激光二极管与非球面透镜之间的距离)和/或距离D2(例如，非球面透镜与柱面透镜之间的距离)来调整光片215的宽度。在一些实施例中，激光片光束215的宽度(例如，垂直于来自流动通道240的介质流动的方向的大小)可大于流动通道240的宽度或直径，由此确保经过光片215的所有颗粒实际地穿越光片215(例如，如图5A中所示)。因此，在一些此类实施例中，系统200可以实现高达100％的计数效率。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，流动通道240可具有1mm加/减0.5mm的直径或者其他合适的尺寸。注意，虽然在图5A-图5B和图6中流动通道240被图示为是圆形的，但是本公开不旨在限于此。还注意，虽然在图5B示出箭头来指示流动通道方向，但本公开不旨在限于此。例如，如图5B中所示，介质移动设备250正在提供用于使介质移动通过流动通道240的正压力(例如，正气压)；然而，在一些实施例中，可替代地使用或除正压力设备之外还使用负压力(例如，负气压)。在其中正在被测量的介质是诸如空气之类的气体的实施例中，流动通道240可具有管状的形状，其可以或可以不打开以允许空气从通道的一个部分传到其他部分，诸如图6中所示。在一些此类实施例中，在流动通道240包括外壳210中的至少一个打开部分的情况下，则系统200可被设计成用于解决可由此类设置引起的任何相关问题，诸如防止其他/不期望的气流进入流动通道240(例如，与流动通道不相关的气流)并防止介质流出介质通道240。在一些实施例中，系统200可包括确保(或试图确保)穿过光片215的介质的均匀流动的配置(诸如，外壳210配置)，使得介质中的颗粒物近穿过光片215一次，并且因此仅测量/或计数一次。例如，如果通过流动通道240的介质的流动是湍流的而使得同一颗粒物穿越光片215多于一次，则系统200的准确度将受错误读数的影响。在一些实施例中，流动通道240可具有闭合的配置，使得流动通道在正在被测量的介质穿过光片215时完全包括该介质。在一些此类实施例中，流动通道240可以是纯净的/透明的或者至少半透明的，以允许光穿过流动通道240材料使得可以检测由正在被测量的介质中的颗粒所散射的光。例如，在其中正在被测量的介质是液体或胶体的实施例中，流动通道240可包括用于防止液体或胶体进入系统200的其他部分的闭合配置，并且流动通道240可包括纯净的/透明的材料(例如，丙烯酸)以允许激光片光束215穿透流动通道240并到达介质中的颗粒物质。注意，如基于本公开可以理解，在一些实施例中，流动通道240和系统200一般可被配置成用于测量任何合适的(多种)介质，诸如，一种或多种气体、一种或多种液体和/或一种或多种胶体。

如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，介质移动设备250可包括能够使要测量的介质移动通过系统200的流动通道240的任何合适的一个或多个设备。例如，在其中要测量的介质是气体(例如，环境空气)的实施例中，介质移动设备250(例如，空气移动设备)可包括用于吹动空气通过流动通道240的正气压设备(例如，风扇或压电膜片)和/或例如抽吸空气通过流动通道240的负气压设备(例如，反向风扇或真空)。例如，在其中要测量的介质是液体(例如，水)或胶体(例如，水凝胶)的实施例中，介质移动设备可包括用于使液体或凝胶远离泵并通过流动通道240的泵和/或用于使液体朝向泵移动并通过流动通道240的抽吸泵。在一些实施例中，介质通过流动通道240的流动速率可基于流动通道240的尺寸(例如，横截面几何形状和/或长度)、介质移动设备250的能力/设置、激光片光束215的厚度和/或用于在颗粒物穿过光束215时测量该颗粒物的光传感器220和电子电路260的能力(例如，带宽/速度)。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，系统200的一个或多个组件将至少部分包含在外壳210中。在一些此类实施例中，介质移动设备250可完全在外壳210之外(并且仅操作地耦合到流动通道240)，或者介质移动设备250可部分地包含在外壳210之内，或者介质移动设备可以完全地包含在外壳210之内。

在一些实施例中，介质移动设备250和/或流动通道240可被设计成用于防止外壳210之内的介质的任何不希望的再循环。例如，在介质移动器设备250是鼓风机设备的情况下，可使用扩散器喷嘴部分和/或使用多个鼓风机设备通过挡板控制流动来实现不希望的空气再循环，仅举几个示例选项。例如，在一些实施例中，可选择介质移动设备250以使得该设备250不干扰和/或过滤正在被测量的介质中的颗粒。在一些实施例中，可选择介质移动设备250和/或设备250的设置以使得介质流动是基本上均匀的，并且不会太过于湍流，以确保介质中颗粒物的准确读数。在一些实施例中，介质移动设备250可操作地耦合到电子电路260，以使得电路260控制介质移动设备250的操作，诸如设备250的设置(例如，设备250流动速率)、何时打开/关闭设备250，等等。在一些此类实施例中，电子电路260还可监视介质移动设备250，以确保例如设备250进行恰当的操作。

在一些实施例中，光传感器220可包括能够检测光的任何合适的一个或多个设备，该光例如诸如，在颗粒物穿过平顶强度激光片光束215时所散射的光。如根据本公开将显而易见的是，例如，在一些实施例中，光传感器可包括一个或多个光电检测器、图像传感器、CMOS传感器和/或任何其他合适的光传感器。可以将光传感器220放置在系统200中(例如，外壳210内)，以收集当正在被测量的介质中的颗粒在流动通道240中移动并穿过激光片光束215时的散射光。如图5A中所示，光传感器220将检测或收集角范围222中的散射光。例如，在一些实施例中，检测角范围222将取决于光115的波长和用于光束整形以形成平顶强度激光片光束215的光学器件120、130，以具有正在被测量的颗粒的尺寸与光传感器220信号之间的合适的相关性。在一些实施例中，光传感器220的位置也可影响能够从散射光捕捉的角范围222。例如，在图5A-图5B和图6中示出的示例系统200中，包括任选的透镜225以收集散射光并将其重定向到光传感器220，以使得可以检测到散射光的最大角范围222。在一些实施例中，任选的透镜225(存在的情况下)可包括一个或多个合适的透镜，诸如，球面、非球面、双凸面和/或柱面透镜，仅举数例。

例如，在一些实施例中，可使用其他配置将由颗粒物散射的光引导到光传感器220，这些配置诸如使用一个或多个反射镜的配置。在一些此类实施例中，使用附加物来重定向散射光可包括在光传感器220的尺寸或封装可干扰光收集时(诸如，如果光传感器220封装足够大以在流动通道240之后干扰光束215)可能需要更远离流动通道240来定位光传感器(例如，如图5A中示出的情况)的此类配置。例如，进一步地，在一些此类实施例中，由于在移动光传感器220中获得的灵活性，使用附加物(例如，一个或多个反射镜和/或透镜)来重定向散射光可实现整个系统的附加的尺寸减小，这也可引起针对整个系统的成本的节约。例如，更进一步地，在一些此类实施例中，使用附加物(例如，任选的透镜225)可以将散射光聚焦到更小的角度区域中(例如，如图5A中所示)，由此允许减小光传感器220的尺寸。例如，然而，在一些实施例中，光传感器220可直接接收由颗粒物散射的光，而无需任何中介透镜或反射镜或任何对象。因此，在一些此类实施例中，任选的透镜225(和/或本文中所描述的任何其他中介物)不需要存在。

在一些实施例中，外壳210可包括在系统200中，以包含系统200的组件的至少部分。例如，在一些实施例中，激光二极管110、第一透镜120、第二透镜130、流动通道240、介质移动设备250、任选的透镜225(和/或流动通道240和光传感器220之间的任何其他中介物)、光传感器220、电子电路260、和/或光束挡块230(和/或用于在光束215经过流动通道24之后处理光束的任何其他组件)中的一者或所有的这些组件可部分地或整体地包括在外壳210中。例如，在一些实施例中，所有的或基本上所有的这些组件可包括在外壳210中，允许外壳210包含系统200，由此实现便携式和/或可穿戴应用。在一些实施例中，外壳210可由任何合适的(多种)材料形成，诸如，一种或多种塑料/聚合物和/或金属，仅举几种示例材料。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，外壳210的大小可小于50mm×30mm×30mm(例如，小于约30mm×20mm×15mm)或者一些其他的合适的尺寸。如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，外壳210的总体积可小于50cm³(例如，小于10cm³)，或者小于一些其他的合适的阈值体积。如通过本公开可以理解，由于如本文中所描述的用于生成平顶强度激光片光束的组件的短工作距离和小尺寸，可实现系统200和外壳210的小体积或形状因子。在一些实施例中，外壳210可包括被配置成组装以形成外壳210的多个部分。例如，在一些此类实施例中，例如，外壳210可包括被配置成可移除地接合到第二部分的第一部分，以使得用户可以在接合两个外壳部分210之前将系统200的组件(例如，激光二极管110、第一透镜120、第二透镜130，等等)安装在外壳210的第一部分和第二部分中的一者中。

在一些实施例中，外壳210可被设计成用于辅助本文中所描述的PM测量技术。例如，在一些实施例中，例如，外壳210可以是不透明的，以阻挡外壳210外部的光并防止来自环境光变化的错误读数。进一步地，在一些实施例中，使用例如模拟和/或数字陷波滤波(例如，以抑制来自外部光源的50/60Hz干扰)或根据本公开将显而易见的任何其他合适的技术，还可以过滤环境光或者替代地过滤环境光。更进一步地，在一些实施例中，可以选择光片215的厚度来确保颗粒穿越相较于环境光改变相对快地发生，以使得电子电路260可以忽略具有大于预期的颗粒穿越时间的脉冲宽度的光脉冲。例如，此类基于脉冲持续时间的数据分析还可以确定光传感器220的操作合适性，由此提供针对维护或更换的警报。例如，可以通过脉冲持续时间偏差来检测的一些问题包括但不限于：介质移动超出规范、流动通道损坏、流动通道堵塞、机械外壳损坏和激光二极管操作合适性，仅举数例。例如，在一些实施例中，外部光可能不导致系统200的问题，诸如，在其中光115、215是红外光的实施例中。例如，在一些实施例中，外壳210可包括用于最小化内部反射的内部特征(诸如，光束挡块230)，以使得任何内部反射不使光传感器220饱和。在一些实施例中，外壳210可以是气密的或基本上气密的，以帮助防止可影响PM测量读数的外部空气进入外壳210。如基于本公开可以理解，例如，气密的外壳在排除流动通道240的位置中，以使得该外壳可以是气密的但仍然包括流动通道输入和输出。相应地，在一些此类实施例中，可使用任何合适的技术来对外壳210进行密封，以防止系统200内不期望的气流(其中，此类不期望的气流来自除流通通道以外的任何区域)。在一些实施例中，外壳210可包括用于解决基于正在测量的介质引起的问题的设计。例如，在配置成用于测量诸如空气之类的气体中的颗粒的实施例中，外壳210可包括用于创建均匀流动(例如，均匀气流)的内部特征，以使得颗粒不穿越激光片光束215多于一次。

例如，任选的光束挡块230可存在于一些实施例中，以辅助减少或消除光片215在其经过流动通道240之后的反射，诸如图5A-图5B中所示。如基于本公开可以理解，在一些实施例中，在光片215穿过流动通道240之后，光片215需要以其不散射返回到光传感器220的路径中的方式被定向、反射和/或吸收。因此，光束挡块230可存在，其可包括光吸收光学设备或光吸收光学涂层(其可被应用到外壳210的内侧)可以用于减少有系统200中的不期望的内部反射导致的影响。例如，在一些实施例中，外壳210可诸如使用反射镜来将不期望的光反射到远离流动通道区域240的受控区域。在一些此类实施例中，可使用例如单向反射镜将不期望的光反射出外壳210之外。在一些实施例中，可使用电子电路260中的滤波来减少或消除来自不期望的内部反射的影响。例如，根据一些实施例，因为光散射是恒定的并且在激光二极管110导通时存在，所以可以使用高通滤波技术和/或AC耦合技术来消除或减少此类不期望的内部反射的影响。这可通过知晓由不期望的内部反射引起的光传感器240信号将是恒定的(DC)来实现。另外，如根据本公开将显而易见的是，在一些实施例中，DC信号可以通过更复杂的有源或动态DC偏移电路拓扑来取出。

例如，在一些实施例中，电子电路260可被配置成用于利用放大将光传感器220信号转换为可测量的电压或电流水平。在一些此类实施例中，转换可包括使用跨阻抗放大器拓扑来将电流输出光传感器(例如，光电检测器)信号转换为电压水平。如先前所描述，可使用适当的滤波技术(例如，有源、无源或其组合)通过消除可能由环境光改变和/或电子噪声耦合引起的不希望的信号来改善PM测量的稳健性。在一些实施例中，可以使用模数转换器(其可以是独立的或者被集成到微控制器中)、模拟或数字比较器和/或电压控制的振荡器对来自此过滤和/或放大电路的模拟电压或电流水平的测量进行数字化，仅举数个示例电子组件。在一些实施例中，如将在下文更详细地描述，电子电路260可包括一个或多个控制器(例如，微控制器)和/或处理器(例如，微处理器)，以读取分配给对应于颗粒的每一个信号的值，并且将每一个信号组织到对应的区间中。在一些实施例中，电子电路260可操作地耦合到激光二极管110、介质移动设备250和/或激光传感器220中的至少一者。相应地，例如，在一些实施例中，电子电路260可控制激光二极管110、介质移动设备250和/或激光传感器220中的至少一者。例如，在一些实施例中，电子电路260可以以恒定功率或电流操作模式控制激光二极管110，包括连通和断开二极管110。在一些实施例中，电子电路260可控制介质移动设备250，诸如，能够设置设备250的流动速率并且还能够打开和关闭设备250。例如，在一些实施例中，系统200可包括为系统200的一个或多个组件供电的一个或多个电池(未示出)，系统200的一个或多个组件诸如激光二极管110、光传感器220、介质移动设备250和/或电子电路260。例如，在一些实施例中，电气电路260可包括如根据本公开将显而易见的任何合适的组件，并且这些组件中的部分或所有的这些组件可包含在外壳210内。

如先前所描述，在一些实施例中，散射光的检测角范围222将取决于光115的波长和用于光束整形以形成平顶强度激光片光束215的光学器件120、130，以具有正在被测量的颗粒的尺寸与光传感器220信号之间的合适的相关性。在一些此类实施例中，可配置系统200以使得光传感器200的信号幅度的响应是一阶单调的，这可以帮助确保每一个微粒尺寸仅具有一个对应的光传感器220信号幅度(例如，在给定的精度水平，例如在PM0.1或PM0.2或PM0.5或PM1的精度)。如基于本公开可以理解，在一些实施例中，散射光遵循米氏散射方案。在米氏散射方案中，所散射的能量取决于散射角。在一些实施例中，由于该依赖关系，对于一些角范围，颗粒尺寸与散射能量之间的关系可示出非单调行为。然而，如基于本公开可以理解，在一些实施例中，这可通过以此类方式防止光传感器220来解决，该方式将收集来自最小实际角范围的散射光从而以特定波长给出单调的响应(光传感器信号相对于颗粒尺寸)，该最小角范围可以是任何合适的角范围。如先前所描述，在一些实施例中，可使用中介物(例如，一个或多个任选的透镜和/或反射镜)来辅助此类配置。图7A-图7B有助于图示出将在下文更详细地描述的这些概念。

图7A图示出根据本公开的一些实施例使用本文中所描述的用于颗粒物(PM)测量的系统包括近似单调712和非单调716响应的针对光传感器信号幅度相对于颗粒尺寸的光散射图结果710。如所示，在该示例实施例中，单调响应712是一阶单调的，示出随颗粒尺寸增加而增加的光传感器220信号电压。还如所示，如基于本公开可以理解，存在一些非理想性(其可通过光学理论预测)，并且此类非理想性可由用于系统200的有效的组件放置/定位(例如，光传感器220相对于激光片光束215的有效的放置)最小化。为了辅助单调响应712的图示，还包括典型的非单调响应714，非单调响应714在系统200中的组件未有效地定位时发生。例如，在一些实施例中，颗粒在厚度方向上穿越激光片光束215的速度可确定检测器信号的宽度，其可被称为脉冲。在一些此类实施例中，模拟电路(例如，包括在电子电路260中)可用于将相对小的光传感器220(例如，光电检测器)信号放大为可测量的电压水平，这可包括电路260可以有效地放大的最小脉冲(光传感器220信号)宽度。如基于本公开可以理解，在一些实施例中，散射光的角与穿过光束215的颗粒物的尺寸具有相关性。相应地，在一些实施例中，介质(和包含在其中的颗粒)穿越通过光片215的速度可基于电路260可以有效地调整的最小脉冲宽度来调整。如基于本公开可以理解，介质移动器250流动速率与流动通道240几何形状组合可管理介质(和包含在其中的颗粒)的速度。因此，在一些实施例中，流动通道240的几何结构可被设计成用于允许介质(和包含在其中的颗粒)以目标流动速率的流动。换言之，如果期望阈值流动速率，则可相应地调整流动通道的几何形状(例如，增加或减小流动通道240直径或其他横截面积)以实现所期望的流动速率。然而，如果颗粒在流动通道240中行进过快，则大直径颗粒(例如，具有大于5-10微米的直径的颗粒物)可由于其高动量而被过滤，使得此类相对较大直径的颗粒难以作出与流动通道240相关联的转弯。在一些实施例中，可设置介质在流动通道240中的速度，以使得电路260足够快地对小检测器信号脉冲进行放大而没有任何衰减。然而，在一些此类实施例中，即使存在一些衰减，如果所有颗粒以相同的速度行进，它将是恒定的百分比，并且可以在系统200的校准期间(例如，在光传感器220的校准期间)解决此类衰减。如先前所描述，在一些实施例中，可以以使得整个系统200的进一步的尺寸减小的方式将光传感器220定位在系统200内。例如，在一些实施例中，可放置光传感器220以使得其具有可能用于给出颗粒尺寸与检测器220信号幅度之间的单调响应的最小发散角收集范围222。

图7B图示出根据本发明的一些实施例的来自图7A的绘图710的单调响应712，包括将数据组织到示例区间中，以解决响应712的非单调区域。如基于本公开可以理解，可基于正在使用的系统200的特定配置来校准系统200。例如，可使用已知尺寸的颗粒以创建单分散(在尺寸上)气溶胶并且读取该单分散穿过光片215时并使用如本文中所描述的系统200来测量的电压水平来实现此类校准。例如，在一些实施例中，通过改变放大设置并且按峰高过滤数据，以消除与较大或较小颗粒相关联的峰，可以将光传感器220校准为各种微粒尺寸读数(例如，EPA颗粒物尺寸范围，PM2.5和/或PM10)。例如，为了检测PM10，可使用比将用于PM2.5的放大设置更小的放大设置，以提供示例情况。在系统200表现出非单调行为的情况下，此类行为贯穿其校准读数的大部分还是全部(例如，如图7A中的非单调响应714中所示)，或者此类行为是否在颗粒峰值电压相对于颗粒尺寸关系的一些部分或区域中(例如，如图7A-图7B中的单调响应712中所示)，可以实现分区间方案以对消除非单调行为对系统200准确性(例如，对传感器220准确性)的影响的范围内的颗粒进行分组。

如图7B的绘图720所示，根据该示例实施例，单调响应712被组织到多个区间中，以解决其中所包括的非单调区域。在一些实施例中，作为系统200的组件和/或配置的结果，可存在此类非单调区域。相应地，图7B中所图示的分区间方案可以用于解决那些非单调区域。在此示例实施例中，分析单调响应712并将其组织在表示七个不同的电压范围并且对应于七个不同的颗粒尺寸范围(分别为R1-R7)的七个不同的区间中(区间1-区间7)。例如，在示例情况下，电压区间可覆盖5V至10V范围的共5V的电压变化，并且尺寸范围可覆盖0.5微米至2.5微米范围的共2微米的变化。在此类示例情况下，可如下表中所列举地设置区间和尺寸范围，以提供分区间方案的说明性示例：

#	区间电压范围	颗粒尺寸范围
			1	5-5.59V	0.5-0.99微米
2	5.6-6.29V	1-1.39微米
			3	6.3-6.59V	1.4-1.79微米
4	6.6-7.39V	1.8-1.99微米
			5	7.4-8.09V	2-2.09微米
6	8.1-9.29V	2.1-2.39微米
			7	9.3-10V	2.4-2.5微米

如基于本公开可以理解，当测量介质中的颗粒物时，由系统200观察到每一次电压峰值，可以记录该电压峰值，其对应于特定的颗粒物尺寸或尺寸范围。如基于本公开还可以理解，在完成给定时间段的测量之后，可以确定给定水平的电压峰值的数量，以获得在每个颗粒尺寸或尺寸范围的给定时间段内测量的颗粒的总数。例如，使用以上示例表，如果在给定的时间段记录了十个电压峰值5.2V、5.3V、6.8V、5.1V、6.5V、6.5V、7.6V、5.3V、5.8V和5.4V，则相应的所测量的微粒的尺寸和数量可包括在0.5微米至0.99微米尺寸范围(Rl)中的五个微粒，一个微粒在1微米至1.39微米尺寸范围(R2)中，两个微粒在1.4微米至1.79微米尺寸范围(R3)中，一个微粒在1.8微米至1.99微米尺寸范围(R4)中，并且一个微粒在2微米至2.09微米尺寸范围(R5)中，以提供一个示例情况。注意，为了便于说明，在先前的示例中仅给出了十个读数；然而，例如，在一些实施例中，测量可包括数十、数百、数千或更多颗粒读数。在一些实施例中，不需要使用此类分区间方案，使得所测量的散射光(例如，以电压峰值的形式)可与单个微粒尺寸(或尺寸范围)具有直接相关性。在一些实施例中，所测量的颗粒物尺寸中的一个或多个(其可包括所有的所测量的颗粒物)的浓度可基于介质的流动速率与流动通道240几何形状以及测量时间(用于确定在测量其中所包含的颗粒物的同时有多少体积的介质已经穿过)来确定。

如根据本公开可以理解，在使用PM测量系统200来采集介质(诸如空气)样本以供PM水平测量的上下文中，电子电路260可控制系统200的组件，以使得设备以标准间隔进行采样，诸如，每五秒、每分钟、每五分钟、每十分钟或任何其他合适的增量。在一些实施例中，系统200可在随机时间对介质(诸如空气)进行采样以供PM水平测量。在一些实施例中，系统200可包括更加智能的工作周期。例如，在测量空气中的PM水平的情况下，在一些此类实施例中，系统200可能能够确定该系统何时已经被移动，诸如，通过使用可包括在或操作地耦合到系统200的加速度计、陀螺传感器和/或确定位置/定位设备。在一些此类实施例中，系统200可能能够基于对附近无线电信号的改变来检测移动，该无线电信号诸如来自蜂窝塔(例如，3G/4G/5G信号)、Wi-Fi热点或被配置成用于接收和/或发射无线电信号的设备(例如，智能电话、平板和其他计算设备)。在一些实施例中，通过对光束整形生成与流动通道和电子电路进行协同设计以利用尺寸信息实现高效的颗粒检测，可在系统200中实现较低的整体功耗。进一步地，在一些实施例中，可以通过增强因素之间的权衡来调整功率效率，这些因素包括但不限于：光片的厚度相对于介质/颗粒速度、光片宽度相对于流动通道几何结构、光源功率相对于光传感器覆盖角范围、光源波长相对于光传感器覆盖范围。例如，此类权衡可通过下列方法来解决：使光片宽度大于流动通道宽度或直径以确保高达100％的颗粒计数效率，对模拟电子带宽与颗粒穿越时间进行协同设计(其中，颗粒穿越时间取决于光片几何结构和流动特性)，基于脉冲宽度执行传感器健康检查，包括用于对不希望的内部反射进行吸收和滤波的方法以及如基于本公开可以理解的其他合适的技术。根据本公开，许多变型和配置将是显而易见的。

可以使用硬件元件、软件元件或二者的组合来实现各实施例。硬件元件的示例包括处理器、微处理器、电路、电路元件(例如，晶体管、电阻器、电容器、电感器等等)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片集等等。软件的示例可包括软件组件、程序、应用、计算机程序、应用程序、系统程序、机器程序、操作系统软件、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、函数、方法、过程、软件接口、应用程序接口(API)、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、值、符号或其任何组合。硬件元件和/或软件元件是否被使用可根据任意数量的因素而从一个实施例到另一实施例不同，这些因素诸如，所期望的计算速率、功率水平、热容限、处理循环预算、输入数据速率、输出数据速率、存储器资源、数据总线速度以及其他设计或性能约束。

例如，可使用可存储指令或指令集的机器可读介质或制品或计算机程序产品来实现一些实施例，这些指令或指令集如果由机器执行则可使得该机器执行根据本公开的实施例的方法和/或操作。此类机器可包括例如，任何合适的处理平台、计算平台、计算设备、处理设备、计算系统、处理系统、计算机、处理器等，并且可使用硬件和软件的任何合适的组合来实现。机器可读介质或制品可包括例如，任何合适类型的存储器单元、存储器设备、存储器制品、存储器介质、存储设备、存储制品、存储介质和/或存储单元，例如，存储器、可移除或不可移除介质、可擦除或不可擦除介质、可写或可重写介质、数字或模拟介质、硬盘、软盘、紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、紧凑盘可记录(CD-R)、紧凑盘可重写(CD-W)、光盘、磁性介质、磁光介质、可移除存储器卡或盘、各种类型的数字多功能盘(DVD)、磁带、盒式磁带等等。指令可包括使用任何合适的高级、低级、面向对象的、可视的、经编译的和/或经解译的编程语言实现的任何合适类型的可执行代码。例如，如本文中以各种方式所公开，一些实施例可在结合颗粒物测量技术的功能的计算机程序产品中实现，并且此类计算机程序产品可包括一个或多个机器可读介质或者可由一个或多个处理器操作。

除非以其他方式特别声明，否则应当理解诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等等之类的术语是指计算机或计算系统或者类似的电子计算设备的动作和/或进程，该计算机或计算系统或者类似的电子计算设备操纵表示为计算系统的寄存器和/或存储器内的物理(如，电子)量的数据，和/或将这些数据变换为类似地表示为计算系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传送或显示设备内的物理量的其他数据。

其他示例实施例

下列示例涉及进一步的实施例，根据这些实施例，众多置换和配置将是显而易见的。

示例1是一种用于颗粒物测量的系统，该系统包括：光源；第一光学组件，用于接收光并且生成基本上准直的光；第二光学组件，用于将准直的光聚焦在第一平面中，由此提供光片；介质流动通道，用于使介质穿过光片；以及光传感器，被配置成用于检测由介质中的颗粒物散射的光。

示例2包括如示例1所述的主题，其中，光源是激光二极管。

示例3包括如示例1-2中任一项所述的主题，其中，第一平面垂直于第二平面，并且第一光学组件进一步被配置成用于生成球面像差，除造成光在第一平面中是基本上准直的之外，还造成第二平面中的光中的正像差，其中，光源在第一平面中比在第二平面中具有更大的发散角输出。

示例4包括如示例3所述的主题，其中，球面像差是三阶正像差。

示例5包括如示例1-4中任一项所述的主题，其中，光源近似于高斯分布。

示例6包括如示例1-5中任一项所述的主题，其中，光源在TEM00模式下操作。

示例7包括如示例1-6中任一项所述的主题，其中第一光学组件是非球面透镜。

示例8包括如示例7所述的主题，其中，该非球面透镜具有非球面侧，并且其中，该非球面侧朝向光源。

示例9包括如示例1-6中任一项所述的主题，其中第一光学组件是球面透镜和双凸面透镜中的一者。

示例10包括示如例1-9中任一项所述的主题，其中第二光学组件是柱面透镜。

示例11包括如示例1-10中任一项所述的主题，其中，光片包括平顶强度激光片光束分布。

示例12包括如示例1-11中任一项所述的主题，其中，介质是以下各项中的至少一项：气体、空气、液体和胶体。

示例13包括如示例1-12中任一项所述的主题，其中，介质流动通道是鼓风机设备的部分，该鼓风机设备被配置成用于使用正气压和负气压中的至少一者使空气移动通过光片。

示例14包括如示例1-13中任一项所述的主题，其中，光传感器包括至少一个光电检测器，该至少一个光电检测器被配置成用于检测散射光。

示例15包括如示例1-14中任一项所述的主题，进一步包括电子电路，该电子电路被配置成用于接收来自光传感器的信号，并且进一步被配置成用于控制光源和介质流动通道的流动速率中的至少一者。

示例16包括如示例1-15中任一项所述的主题，进一步包括外壳，该外壳包含以下各项中的至少一项：光源、第一光学组件、第二光学组件、介质流动通道以及光传感器。

示例17包括如示例1-16中任一项所述的主题，其中，系统可以有效地测量具有0.3微米至10微米范围中的直径的颗粒物。

示例18是一种用于颗粒物测量的系统，该系统包括：激光二极管，被配置成用于提供光；非球面透镜，具有非球面侧并且被布置成用于接收来自激光二极管的光，其中，非球面侧朝向激光二极管；柱面透镜，被布置成用于接收来自非球面透镜的光以生成平顶强度激光片光束；被配置从用于使空气移动穿过流动通道的设备；以及光传感器，被配置成用于检测由空气中的颗粒物在该颗粒物穿过激光片光束时散射的光。

示例19包括如示例18所述的主题，其中，光传感器包括至少一个光电检测器，该至少一个光电检测器被配置成用于检测散射光。

示例20包括如示例18-19中任一项所述的主题，进一步包括电子电路，该电子电路被配置成用于接收来自光传感器的信号，并且进一步被配置成用于控制激光二极管和被配置成用于使空气移动通过流动通道的设备中的至少一者。

示例21包括如示例18-20中任一项所述的主题，进一步包括外壳，该外壳包含激光二极管、非球面透镜、柱面透镜、被配置成用于使空气移动通过流动通道的设备以及光传感器中的至少一者，其中，该外壳具有小于50cm³的体积。

示例22包括如示例21所述的主题，其中，在与流动通道不相关的区域中，外壳是不透明的并且气密的。

示例23包括如示例18-22中任一项所述的主题，其中，系统可以有效地测量具有0.3微米至10微米范围中的直径的颗粒物。

示例24包括如示例18-23中任何一项所述的主题，其中，系统可以有效地在第一颗粒物与第二颗粒物之间进行区分，该第一颗粒物直径小于0.25微米，该第一颗粒物直径不同于第二颗粒物直径。

示例25包括如示例18-24中任何一项所述的主题，进一步包括电池，该电池用于为激光二极管和被配置成用于使空气移动通过流动通道的设备中的至少一者供电。

示例26包括如示例18-25中任何一项所述的主题，其中，光传感器被配置成用于检测以使得针对颗粒物尺寸与散射角之间的关系获得单调响应的方式所散射的光。

示例27包括如示例18-26中任一项所述的主题，其中，激光片光束具有大于流动通道的宽度的宽度，使得在空气穿过激光片光束时基本上所有的颗粒物穿过该激光片光束。

示例28是一种颗粒物测量的方法，该方法包括：提供光源；朝向第一光学组件引导该光源，造成光是基本上准直的；朝向第二光学组件引导来自第一光学组件的光，以用于将准直的光聚焦在平面中，由此提供光片；使介质移动通过光；以及检测由介质中的颗粒物所散射的光。

示例29包括如示例28所述的主题，其中，光源是激光二极管。

示例30包括示例28-29中任一项所述的主题，其中第一光学组件是非球面透镜。

示例31包括如示例30所述的主题，其中，该非球面透镜具有非球面侧，并且其中，该非球面侧朝向光源。

示例32包括如示例28-29中任一项所述的主题，其中第一光学组件是球面透镜和双凸面透镜中的一者。

示例33包括示如例28-32中任一项所述的主题，其中第二光学组件是柱面透镜。

示例34包括如示例28-33中任一项所述的主题，其中，将光聚焦在平面中的步骤生成平顶强度激光片光束。

示例35包括如示例28-34中任一项所述的主题，其中，介质是以下各项中的至少一项：气体、空气、液体和胶体。

示例36包括如示例28-35中任一项所述的主题，其中，使用正气压和负气压中的至少一者使介质移动通过光。

示例37包括如示例28-36中任一项所述的主题，其中，光传感器包括至少一个光电检测器，该至少一个光电检测器被配置成用于检测散射光。

示例38包括示例28-37中任何一项所述的主题，进一步包括：将从光传感器接收的信号转换为电压水平。

示例39包括如示例38所述的主题，其中，该电压水平被组织到区间中，该区间对应于颗粒物尺寸和颗粒物尺寸范围中的至少一者。

示例40包括示例28-39中任一项所述的主题，进一步包括：计算介质中的颗粒物浓度。

示例41是一种计算机程序产品，包括各自用指令编码的一个或多个非瞬态机器可读介质，该指令在由一个或多个处理器执行时，使得执行用于颗粒物测量的过程，该过程包括：接收使介质移动通过光片所得到的散射光检测信号，该光片由被配置成用于将准直的光聚焦在平面中的光学组件生成，其中，介质中的颗粒物在该介质穿过光片时引起散射光；以及基于所接收的散射光检测信号来确定包括在颗粒物中的微粒尺寸。

示例42包括如示例41所述的主题，其中，基于所接收的散射光检测信号来确定包括在所述颗粒物中的微粒尺寸的步骤包括：将散射光检测信号组织在不同的电压区间中，每一个电压区间对应于微粒直径尺寸范围。

示例43包括如示例41-42中任一项所述的主题，其中，过程进一步包括：基于所接收的散射光检测信号来确定介质中的微粒水平。

示例44包括如示例43所述的主题，其中，基于所接收的散射光检测信号来确定介质中的微粒水平的步骤包括：确定有多少给定尺寸范围的微粒已经穿越光片。

示例45包括如示例41-44中任一项所述的主题，过程进一步包括：过滤掉来自光片的反射光，该反射光返回到颗粒物质穿过光片的位置。

已出于说明和描述的目的呈现了各示例实施例的前述描述。本说明书不旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。根据本公开，许多修改和变型是可能的。本公开不旨在限制各实施例的范围。未来提出的要求本申请优先权的申请可以以不同的方式要求所公开的主题，并且通常可包括如在此多方面地公开或以其他方式展示的一个或多个限制的任何集合。

Claims (25)

1.一种用于颗粒物测量的系统，所述系统包括：

光源；

第一光学组件，用于接收光并且生成基本上准直的光；

第二光学组件，用于将所述准直的光聚焦在第一平面中，由此提供光片；

介质流动通道，用于使介质穿过所述光片；以及

光传感器，被配置成用于检测由所述介质中的颗粒物散射的光。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述光源是激光二极管。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一平面垂直于第二平面，并且所述第一光学组件进一步被配置成用于生成球面像差，除造成所述光在所述第一平面中基本上准直之外，还造成在所述第二平面中的所述光中的正像差，其中，所述光源在所述第一平面中比在所述第二平面中具有更大的发散角输出。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述球面像差是三阶正像差。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述光源近似于高斯分布。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一光学组件是非球面透镜。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述非球面透镜具有非球面侧，并且其中，所述非球面侧朝向所述光源。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一光学组件是球面透镜和双凸面透镜中的一者。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二光学组件是柱面透镜。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述光片包括平顶强度激光片光束分布。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述介质流动通道是鼓风机设备的部分，所述鼓风机设备被配置成用于使用正气压和负气压中的至少一者使空气移动通过所述光片。

12.如权利要求1-11中任一项所述的系统，其中，所述光传感器包括至少一个光电检测器，所述至少一个光电检测器被配置成用于检测散射光。

13.一种用于颗粒物测量的系统，所述系统包括：

激光二极管，被配置成用于提供光；

非球面透镜，所述非球面透镜具有非球面侧，并且被布置成用于接收来自所述激光二极管的所述光，其中，所述非球面侧朝向所述激光二极管；

柱面透镜，被布置成用于接收来自所述非球面透镜的所述光，以生成平顶强度激光片光束；

设备，被配置成用于使空气移动通过流动通道；以及

光传感器，被配置成用于检测由所述空气中的颗粒物在所述颗粒物穿过所述激光片光束时散射的光。

14.如权利要求13所述的系统，进一步包括外壳，所述外壳包含所述激光二极管、所述非球面透镜、所述柱面透镜、被配置成用于使空气移动通过所述流动通道的所述设备以及所述光传感器中的至少一者，其中，所述外壳具有小于50cm³的体积。

15.如权利要求14所述的系统，其中，在与所述流动通道不相关的区域中，所述外壳是不透明的并且气密的。

16.如权利要求13所述的系统，其中，所述系统可以有效地测量具有0.3微米至10微米范围中的直径的颗粒物。

17.如权利要求13所述的系统，其中，所述系统可以有效地在第一颗粒物与第二颗粒物之间进行区分，所述第一颗粒物直径小于0.25微米，所述第一颗粒物直径不同于所述第二颗粒物直径。

18.如权利要求13-17中任一项所述的系统，其中，所述激光片光束具有大于所述流动通道的宽度的宽度，使得在所述空气穿过所述激光片光束时基本上所有的所述颗粒物穿过所述激光片光束。

19.一种颗粒物测量的方法，所述方法包括：

提供光源；

朝向第一光学组件引导所述光源，造成光是基本上准直的；

朝向第二光学组件引导来自所述第一光学组件的所述光，以用于将准直的光聚焦在平面中，由此提供光片；

使介质移动穿过所述光；以及

检测由所述介质中的颗粒物散射的光。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：将从所述光传感器接收的信号转换为电压水平。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述电压水平被组织到区间中，所述区间对应于颗粒物尺寸和颗粒物尺寸范围中的至少一者。

22.如权利要求19-21中任一项所述的方法，进一步包括：计算所述介质中的颗粒物浓度。

23.一种计算机程序产品，包括各自用指令编码的一个或多个非瞬态机器可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时，使得执行用于颗粒物测量的过程，所述过程包括：

接收使介质移动穿过光片所得到的散射光检测信号，所述光片由光学组件生成，所述光学组件被配置成用于将准直光聚焦在平面中，其中，所述介质中的颗粒物在所述颗粒物穿过所述光片时引起散射光；以及

基于所接收的散射光检测信号来确定包括在所述颗粒物中的微粒尺寸。

24.如权利要求23所述的计算机程序产品，其中，基于所接收的散射光检测信号来确定包括在所述颗粒物中的微粒尺寸的步骤包括：将所述散射光检测信号组织在不同的电压区间中，每一个电压区间对应于微粒直径尺寸范围。

25.如权利要求23-24中任一项所述的计算机程序产品，其中，所述过程进一步包括：基于所接收的散射光检测信号来确定所述介质中的微粒水平。