多模式灰尘传感器

技术领域

本公开涉及灰尘浓度的测量，并且涉及灰尘成分和颗粒大小的确定。

背景技术

迄今为止，已开发了多种灰尘检测设备，诸如气象站、空气净化器、具有灰尘传感器的空调等。然而，气象站装备庞大、昂贵、复杂，并且只能由专家使用。当前，具有气室和过滤器称重的实验室测试装备是专业安全专家的金标准，但是它需要复杂的采样和测量过程；此外，装备昂贵且笨重。具有除尘功能的普通消费电子产品(诸如，空气净化器和空调)通常使用尺寸为5cm×3cm×2cm的光学LED传感器，但是这样的设备只能测量高浓度的灰尘，并且无法将灰尘按大小分成几部分并确定灰尘来源。

US 7038189 B2(公开日期为2006年5月2日)公开了一种光电灰尘传感器和安装了这样的光电灰尘传感器的空调装备。该类型的光电灰尘传感器用于空气过滤器、空气洗涤器、空气冷却器以及其他类似的空调设备中，以检测在空调装备内循环的灰尘和/或烟尘的存在、不存在和/或浓度。在存在灰尘和/或烟尘的情况下，因为来自发光单元的光的一部分将被灰尘和/或烟尘反射，所以在光接收单元处接收的光量将增加。该现有技术具有以下缺点：它只能在密闭的测试室内使用，并且需要气流以进行操作；该设备不可嵌入在智能手机中，无法区分颗粒大小，以及无法提供与灰尘来源有关的信息。

US 9857287 B2(公开日期为2018年1月2日)公开了一种颗粒传感器设备。光学发射器设备包括VCSEL激光器。颗粒传感器通过激光器中的自混合干涉效应来分析发射的光学辐射和/或散射的光学辐射。

换言之，可以例如通过集成的光电二极管感测的自混合干涉效应用于检测从颗粒散射的光。该现有技术的缺点在于没有提供灰尘来源信息。

在US 2014/0226158 A1(公开日期为2014年8月14日)中公开了与本公开最紧密相关的现有技术。该专利公开了用于确定颗粒特性的方法和装置。该装置包括：照射装置，用于照射一个或多个颗粒；检测装置，用于检测从一个或多个颗粒散射的光；反射器，用于将来自照射装置的光引导到检测装置，其中，从反射器反射的光与从一个或多个颗粒散射的光组合以产生光干涉信号。该现有技术的缺点包括无法确定灰尘来源和测量颗粒的浓度。此外，在该专利中，测试是在腔室中而不是在自由空间中进行的，即，将空气从自由空间泵送到测试室中。

US 9488575 B2(公开日期为2016年11月8日)重新调整了常规的灰尘传感器，以将其应用在移动设备中。该移动设备包括具有气流路径的壳体，其中响应于该移动设备被摇动，空气通过该气流路径流动。该设备还包括：惯性传感器；光散射型传感器，被配置为用光照射气流路径并检测流过气流路径的空气中的颗粒物质；以及控制器，包括计数器和流量计算器，该计数器被配置为对由光散射型传感器检测到的颗粒物质进行计数，并且该流量计算器被配置为基于惯性传感器的检测信号来检测通过气流路径的空气的空气流量。该现有技术的缺点包括缺乏颗粒大小估计和灰尘来源信息。

大多数现有的灰尘检测设备非常笨重，并且无法嵌入到诸如智能手机的小型移动设备中；此外，常规的灰尘检测设备几乎不提供信息。

此外，现有设备中的灰尘感测范围仅受一种能力的限制：灰尘颗粒的浓度或大小或来源。此外，常规设备中的灰尘传感器以需要通过分析设备泵送周围空气样本的模式操作。

发明内容

技术问题

本公开的各方面在于提供一种由于通过使用光学元件阵列在多个点处进行测量的事实而确保设备的高灵敏度的方法和传感器。

根据本公开的实施例，在本发明传感器的光学电路的测量通道中同时实现的荧光模式和零差模式使得能够同时获得与颗粒的大小、浓度和来源有关的信息。

问题的解决方案

根据本公开的一方面，一种多模式灰尘传感器可以包括：激光器阵列；准直透镜阵列，每个准直透镜布置在相应激光器之后；聚焦透镜阵列，每个聚焦透镜与相应准直透镜相对地进行设置；其中，激光器阵列中的每个激光器与相应的聚焦透镜和准直透镜布置在相同的光轴上，并且激光器阵列中的不同激光器的光轴彼此平行并形成第一光轴阵列；第一光电检测器阵列；二向色镜阵列，每个二向色镜之后是第一光电检测器阵列中的一个光电检测器；第二光电检测器阵列；二向色滤波器阵列，每个二向色滤波器之后是第二光电检测器阵列中的一个光电检测器；其中，每个二向色滤波器与相应二向色镜相对地进行设置，使得每个二向色滤波器与以下相应的元件布置在相同的光轴上：第二光电检测器阵列中的光电检测器、二向色镜、第一光电检测器阵列中的光电检测器，并且所述光轴形成第二光轴阵列；其中，第一光轴阵列中的光轴和第二光轴阵列中的光轴彼此垂直；分束器，在第一光轴阵列和第二光轴阵列的光轴交点处，设置在二向色滤波器阵列与二向色镜阵列之间以及设置在聚焦透镜阵列与准直透镜阵列之间；其中，分束器被定向为使得沿第一光轴阵列中的光轴从激光器传播到聚焦透镜的辐射部分地沿第二光轴阵列中的一个光轴指向其二向色滤波器中的一个二向色滤波器；其中，在从聚焦透镜到准直透镜的相反方向上沿第二光轴阵列中的光轴传播的辐射部分地沿第二光轴阵列中的相应光轴指向二向色镜，并且在位于分束器上的点处相交的来自第一光轴阵列和第二光轴阵列的每对光轴形成测量通道。

激光器阵列包括以相同波长操作的激光器。此外，激光器阵列可以包括以不同波长操作的激光器。

第一光电检测器仅记录组合后的散射辐射和激光辐射，二向色镜反射激光辐射，并且二向色滤波器透射组合后的散射辐射和激光辐射。第二光电检测器仅记录荧光，二向色镜透射荧光并反射激光辐射，二向色滤波器反射荧光。

聚焦透镜可以是液晶。

根据本公开的又一示例方面，一种多模式灰尘传感器的单个测量通道的操作方法可以包括：使激光辐射准直；将激光辐射分成两个光束(例如，第一光束和第二光束)；以及使第一光束聚焦以形成探测体积，其中，进入探测体积的灰尘颗粒：

a)散射第一光束，从而提供零差操作模式，其中，第二光束和散射后的第一光束被组合；组合后的辐射落在记录多普勒效应的光电检测器上；和/或

b)发荧光，从而提供荧光操作模式，其中，荧光落在记录荧光的光电检测器上。

零差通道中的信号具有以下特性：

-振幅取决于颗粒大小；

-信号的持续时间(颗粒通过探测体积的飞行时间)和调制频率取决于颗粒的速度。

荧光通道中的信号具有以下特性：

-振幅取决于颗粒来源(主要贡献)和颗粒大小(远不那么重要的贡献)；

-信号的持续时间(颗粒通过探测体积的飞行时间)取决于颗粒的速度。

发明的有益效果

根据本公开的各种实施例，可以确保在确定空气中的低浓度的灰尘颗粒(包括单一灰尘颗粒)时的高精度，并且同时检测灰尘颗粒的浓度、大小和来源。此外，传感器具有紧凑的设计，适合于嵌入到包括例如智能手机在内的移动设备中。通过本公开，可以使用具有灰尘传感器应用的智能手机来监测周围空气质量。

附图说明

在通过附图所示的以下描述中，对本发明的上述及其他特征和优点进行说明，其中：

图1是多模式灰尘传感器的示意图。

图2是灰尘颗粒进入其中的探测体积。

图3是在光电检测器处的来自进入探测体积的颗粒的信号。

图4示出了多模式灰尘传感器通道在零差模式下的操作。

图5示出了多模式灰尘传感器的单个测量通道在荧光模式和零差模式下的操作。

图6示出了多模式灰尘传感器的单个荧光通道在荧光模式下的操作。

具体实施方式

提供了一种多模式灰尘传感器，该多模式灰尘传感器能够同时实时地确定灰尘颗粒的浓度、大小和来源。本发明的传感器甚至可以在0.3mg/m

本发明确保在确定空气中的低浓度的灰尘颗粒(包括单一灰尘颗粒)时的高精度，并且同时检测灰尘颗粒的浓度、大小和来源。此外，传感器具有紧凑的设计，适合于嵌入到包括例如智能手机在内的移动设备中。通过本发明，可以使用具有灰尘传感器应用的智能手机来监测周围空气质量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

-由于在测量通道中生成了各种探测体积，检测灰尘颗粒的灵敏度更高；

-使用荧光操作模式确定灰尘来源的能力；

-使用零差操作模式确定灰尘颗粒大小和浓度的能力。

事实是，通过鼻子进行呼吸而进入人体的大小超过10μm的颗粒主要保留在上呼吸道中，而小于5-10μm的颗粒则渗透到肺中。高达2.5mm的颗粒对健康特别危险，这是因为它们会参与肺泡的气体交换且是致癌的；此外，小于0.1mm(100nm)的颗粒会穿透细胞膜并通过血流到达人体的其他器官。

已知各种灰尘来源，它们会引起生物体的某些反应，并且从生物体中清除的时间不同。灰尘颗粒可以是：

纤维发生的，

有毒的，

刺激的，

致敏的，

致癌的，

对身体有放射性的。

最危害健康的颗粒物质包括：

PM10(大小约为2.5-10μm的颗粒)，诸如灰尘、花粉、霉菌。

短期标准约为150μg/m

PM2.5(大小＜2.5μm的颗粒)，诸如通过所有类型的燃烧而产生的有机颗粒的燃烧产物，包括汽车尾气、发电厂排放物、森林火灾、农业燃烧以及某些工业过程。

短期标准(例如，日平均)约为每立方米空气35微克(μg/m

长期标准是最大可允许年平均颗粒浓度。

根据本发明的多模式灰尘传感器测量PM10、PM2.5的浓度，并且还检测单一灰尘颗粒并确定灰尘颗粒的大小和来源。该传感器可以用于个人用途，嵌入在智能手机和家用电器(真空净化器、空调、空气净化器等)中。

本发明传感器还可以用在具有特定天气条件的地区：沙尘暴、森林火灾等。它们还可以确定室内空气质量，例如，评估清洁质量、针对过敏者的空气质量等。

图1示出了多模式灰尘传感器的示意图。

传感器(例如，多模式灰尘传感器)包括依次布置的组装在单个衬底上或以单个工艺制造的激光器阵列；激光器阵列与准直器微透镜阵列、分束器、聚焦微透镜阵列、二向色透镜阵列以及设置在二向色透镜阵列之后的光电检测器阵列组合。每个聚焦微透镜与相应准直器微透镜相对地进行设置。此外，激光器、准直透镜、聚焦透镜沿第一光轴进行布置。二向色镜和位于其后的光电检测器、二向色滤波器和位于其后的光电检测器沿第二光轴进行布置。此外，第一光轴和第二光轴在位于分束器上的点处相交并形成测量通道。使用所述激光器阵列、准直透镜阵列、聚焦透镜阵列、具有相应光电检测器阵列的二向色透镜阵列、具有相应光电检测器阵列的二向色滤波器阵列，可以形成多个测量通道(例如，零差通道和/或荧光通道)，它们既可以单独工作也可以彼此合作。

聚焦透镜阵列使已通过分束器的激光辐射的第一部分聚焦，并且形成多个探测体积。

在这种情况下，探测体积是聚焦了激光辐射的空间，所以散射光和荧光的强度将仅在该空间中最高。应注意的是，实际上光束没有聚焦到一点，并且聚焦区域是具有约5-10mm的近似估计大小和约30-50mm的焦距的收缩部分(constriction)。

灰尘颗粒进入探测体积。由灰尘颗粒散射的辐射返回到分束器，并且从分束器反射后，通过二向色滤波器进入光电检测器。通过分束器的激光辐射的第二部分也进入光电检测器。在这种情况下，多普勒效应引起了移动中的灰尘颗粒的辐射散射，并且由于使用了零差检测，该效应可以被记录下来。

由激光辐射引起的灰尘颗粒的荧光返回到分束器；一部分进入不透射荧光的二向色滤波器，从二向色滤波器反射，在通过分束器后，通过二向色镜并进入记录荧光的光电检测器。

每个探测体积对应于自己的测量通道，并且可以分别和单独地进行分析。即，可以形成具有独立探测体积的独立测量通道(例如，零差通道和/或荧光通道)。形成激光器阵列的激光器可以在相同波长和不同波长下操作。在每种情况下，都可以使用具有所需特定参数的光学元件来修改探测体积。这意味着可以通过激光波长的改变使准直透镜和聚焦透镜的参数变化，来修改探测体积。

图2示出了灰尘颗粒进入其中的探测体积。

如图2中所示，探测体积是收缩形式的空间，显然地，在进入探测体积后，灰尘颗粒受聚焦光束的照射，即，来自颗粒的散射辐射的强度将仅在该空间中最高。

图3示出了光电流的零差分量的时间依赖性。

曲线图示出了在光电检测器上的来自进入探测体积的不同大小(例如，10mm、2.5mm、1mm等)的若干颗粒的信号。显然，后向散射取决于颗粒大小，大颗粒散射更多，小颗粒散射更少。这意味着可以基于信号的振幅(A)来估计颗粒大小。使用本发明的传感器使得能够单独地确定每个灰尘颗粒的大小。

颗粒大小可以通过下式(1)进行确定：

i

i

i

Wd是激光辐射的多普勒频移(参考辐射的频率与被移动对象散射的辐射的频率之差)；

t是时间；

通过式(1)，确定了激光辐射的多普勒频移Wd。

每单位体积的颗粒数量与颗粒的浓度相关，如下所示(假设颗粒为球形)：

N

ρ是颗粒密度(kg/m

R是颗粒半径(m)；

C是颗粒的浓度(kg/m

单一颗粒的记录及其速度的测量使得能够确定N

N是所记录的颗粒的数量；

t是测量时间(s)；

S是探测体积的有效表面积(m

v是颗粒速度(m/s)，其是根据辐射频率的多普勒频移的测量而确定的。

此外，颗粒速度根据以下公式进行确定：

v＝W

C是光速；

W

因此，在根据式(1)确定了Wd，然后根据式(4)确定了颗粒速度后，可以使用式(2)来确定探测体积中的颗粒的浓度。

图4详细地示出了多模式灰尘传感器的通道在零差模式下的操作。

零差接收(模式)是基于组合了两个电磁波(参考和信号)的相干接收。与零差接收相反，两个波具有一个辐射源。从式(1)可以看出，零差信号取决于参考波与散射波的相位差

如图4中所示，通过准直透镜1使激光辐射准直；准直后的激光辐射通过分束器2，该分束器将辐射分成两个光束。从分束器反射的第二参考光束3落在二向色镜上，并且从其反射后，通过分束器2并经由二向色滤波器落在光电检测器5上。

如果灰尘颗粒不只进入探测体积，它们也将散射光和发荧光，但是强度比探测体积中的强度低，即，由于大部分辐射能量集中在探测体积中，所以鉴于来自这种颗粒的辐射很小而可以忽略来自这种颗粒的辐射的贡献。

当被分析的介质是移动颗粒的集合时，会出现多颗粒散射的问题，从而影响光电电流的频率结构并使测量结果失真。由发明人进行的研究表明，对于以约0.1mm/s的速度移动的PM2.5颗粒，单一事件的贡献是主要的，直到浓度为大约数十mg/m

为了通过多普勒频移检测移动颗粒，有必要记录该频移；这取决于参考频率而需要一定的时间。由于光学辐射具有极高的频率，因此对于任何电子记录系统，该时间间隔都可以被视为无限小。因此，在特定时刻，当辐射落在灰尘颗粒上并散射了光时，可以认为灰尘颗粒在移动，并且这产生了多普勒效应。

图4示出了第一光束通过聚焦透镜并与灰尘颗粒相互作用。进入探测体积的每个灰尘颗粒使入射到其上的辐射发生散射。散射辐射4通过聚焦透镜返回到分束器，并从分束器反射后，与第二参考光束组合。

当组合两个波时，有必要识别在其上发生组合的元件(检测器)。为了记录频移，参考光束和散射光束必须聚焦在光电检测器的平面内。光束在检测器平面之外不以任何方式彼此相互作用。

因此，两个组合光束通过二向色滤波器到达光电检测器5，该光电检测器记录包括来自多普勒效应的贡献在内的光电流零差分量。二向色滤波器透射激光波长下的辐射且不透射除激光以外的波长下的辐射。因此，由光电检测器记录的光电流包括三个分量：i

然后，使用式(1)、式(2)、式(4)来计算探测体积中的颗粒的浓度。

为了确定颗粒大小，有必要对关于具有指定大小的颗粒的传感器信号的振幅进行校准。该校准(例如，由制造商)执行一次。具有指定大小的聚苯乙烯颗粒可以用于校准，这是该领域中的标准方法。为了确定颗粒大小，测量了与颗粒通过探测体积相对应的所记录信号的振幅。将该振幅与从校准中获得的值进行比较。各种情形都是可能的：

(1)颗粒大小被取为等于振幅中的最接近的校准值；

(2)通过分析函数来近似作为校准结果测量的信号振幅对颗粒大小的依赖性，由此确定未知颗粒的大小。

可以通过增加传感器的通道数量来提高多模式灰尘传感器的操作速度，这是因为通道数量的增加会增加探测体积的数量，并因此，增加灰尘颗粒进入传感器的可能性。可以由传感器本身根据任务(特别是将使用传感器的设备)来增加(打开)多模式灰尘传感器的测量通道的数量，或者减少(关闭)多模式灰尘传感器的测量通道的数量。例如，在真空净化器中，因为真空净化器对高浓度的灰尘起作用，所以可以减少工作通道的数量，并且即使打开了少量通道也可以高速计算灰尘浓度。在例如空调的设备中，如果浓度计算速度不足，则传感器可以自动打开更多数量的通道，这是因为使用了空调的房间内的灰尘浓度不是很高。传感器还可以根据灰尘颗粒的流量调整其自身：随着颗粒流量的增加，传感器可以关闭一些通道，而随着流量的降低，传感器可以打开缺少的通道。

通道中聚焦透镜的特性的改变会导致探测体积的变化。此外，可以使用液晶透镜作为聚焦透镜来重新调整每个通道的探测体积。可以简单地通过所施加的电压来改变透镜的焦点。

应注意的是，同一灰尘颗粒进入传感器通道的若干探测体积的可能性非常低，尽管在计算浓度时也可以考虑该可能性。从进入除探测体积之外的光束的颗粒散射的辐射的贡献可以被忽略，因为其很小。

图5示出了多模式灰尘传感器的单个通道在荧光模式和零差模式下的操作。

在某些来源的灰尘颗粒中，激光辐射激发荧光。

通过准直透镜1使激光辐射准直；准直后的激光辐射通过分束器2，该分束器将辐射分成两个光束。第一光束通过聚焦透镜并与灰尘颗粒相互作用。在激光辐射的作用下，进入探测体积的每个灰尘颗粒都发射荧光(4a)和/或散射(4b)入射在其上的激光辐射。荧光4a通过聚焦透镜，从分束器2反射，落在仅能够透射激光辐射的二向色滤波器上，并从二向色滤波器反射后，通过分束器2和仅反射激光辐射并透射所有其他辐射的二向色镜，并且聚焦在记录荧光的光电检测器上。从分束器反射的激光辐射的第二参考光束3落在二向色镜上，并从其反射后，通过分束器。在这种情况下，散射辐射4b通过聚焦透镜，从分束器反射，并与第二参考光束3组合。组合后的辐射通过二向色滤波器并聚焦在组合辐射光电检测器5b上。应注意的是，组合辐射光电检测器仅检测与激光辐射组合的散射辐射，而光电检测器5a仅检测荧光。

如上所述，荧光模式确定灰尘颗粒的来源，零差模式确定灰尘颗粒的浓度和单独灰尘颗粒的大小。这两种模式的组合为用户提供了准确、更详细的信息。

在多模式灰尘传感器中，可以同时打开荧光和零差这两种操作模式，或者可以仅打开其中一种操作模式，荧光或零差。

现在将更详细地描述多模式灰尘传感器的单个测量通道仅在荧光模式下的操作。

图6示出了多模式灰尘传感器的测量通道在荧光操作模式下的操作。

通过准直透镜使激光辐射准直；准直后的激光辐射通过分束器，该分束器将辐射分成两个光束。一个光束从二向色镜反射，并且不参与荧光模式。另一光束通过聚焦透镜并与灰尘颗粒相互作用。进入探测体积的每个灰尘颗粒在激光辐射下发荧光(在该模式下不考虑散射)。来自灰尘颗粒的荧光通过聚焦透镜，从分束器反射，落在不透射荧光的二向色滤波器上，并从二向色滤波器反射后，通过分束器和透射荧光的二向色镜，并且聚焦在荧光光电检测器上。

如上所述，通过荧光来确定灰尘颗粒的来源。多模式灰尘传感器可以被配置为基本上确定灰尘的任何来源。几乎所有种类的灰尘都在相应的特定波长下发荧光。已知生物来源的颗粒(诸如，死皮颗粒、各种霉菌孢子、真菌、花粉)在不同的光谱区域具有荧光。还已知矿物灰尘可以发荧光或不发荧光，例如，沙粒(石英)发荧光，而煤尘不发荧光。

各种灰尘来源的荧光光谱在本领域中是已知的，例如，从Yong-LePa的“Detectionand characterization of biological and other organic-carbon aerosol particlesin atmosphere using fluorescence(使用荧光检测和表征大气中的生物和其他有机碳气溶胶颗粒)”//Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer(定量光谱学与辐射转移杂志)150(2015)12-35；以及Voloshina O.V.、Shirshin E.A.、Lademann J.、Fadeev V.V.、Darvin M.E.的“Fluorescence detection of protein content in housedust：the possible role of keratin(屋尘中蛋白质含量的荧光检测：角蛋白的可能作用)”//Indoor Air(室内空气)，2017；27：377-385。

已知生物来源的各种灰尘颗粒具有相似的荧光，因此，如果传感器检测到这种荧光光谱，则可以得出灰尘是由生物来源的颗粒组成的。例如，可以区分角蛋白的荧光光谱。众所周知，角蛋白是其氨基酸组成可以取决于其形成的身体片段而变化很大的蛋白质。例如，在人类的皮肤、指甲和头发、牙齿中发现了角蛋白。这意味着如果多模式灰尘传感器检测到例如角蛋白的荧光，则灰尘成分包括生物来源的颗粒。已知可以通过具有290-400nm的范围内的任何波长的辐射来激发生物来源的灰尘颗粒的荧光。对于某种类型的生物灰尘的荧光的最大强度，非常期望为这种特定类型的灰尘选择最佳波长(该波长对应于该灰尘类型的吸收最大值)。例如，角蛋白的最佳激发波长约为350nm。

尽管生物来源的颗粒的荧光光谱具有宽的荧光带，但是它们也在400nm的区域内具有窄的亮带形式的光谱特征。可以选择二向色镜的参数，使得该镜仅透射例如在该特性亮带的区域内的波长范围，然后传感器通道将特别记录生物来源的颗粒。

众所周知，各种类型的花粉的荧光光谱在红光下具有在650-700nm的范围内的特性荧光。即，荧光光谱中的这种峰的存在确定了灰尘颗粒是花粉。此外，为了特别地从花粉颗粒获得荧光，灰尘应当暴露于最接近各种植物的花粉吸收最大值的波长。

例如沙子的荧光光谱具有在390-450nm的范围内的特性荧光。

这意味着根据荧光光谱中的这种峰的存在，灰尘颗粒被确定为沙子。此外，为了特别地从矿物灰尘的颗粒获得荧光，灰尘应当暴露于最接近矿物灰尘物质的吸收最大值的波长。

下面的表1示出了零差通道和荧光通道中的信号特性对激光波长的依赖性。

[表1]

数据取自以下著作：[1]Voloshina O.V.、Shirshin E.A.、LademannJ.、FadeevV.V.、Darvin M.E.的“Fluorescence detection of protein content in house dust：the possible role of keratin(屋尘中蛋白质含量的荧光检测：角蛋白的可能作用)”//Indoor Air(室内空气)，2017；27：377-385；[2]Yong-Le Pa的“Detection andcharacterization of biological and other organic-carbon aerosol particles inatmosphere using fluorescence(使用荧光检测和表征大气中的生物和其他有机碳气溶胶颗粒)”//Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer(定量光谱学与辐射转移杂志)150(2015)12-35；[3]Justyna Urbanczyk、Maria Angeles FernandezCasado、Tomas E.Diaz、Patxi Heras、Marta Infante、Angeles G.Borrego.的“Spectralfluorescence variation of pollen and spores from recent peat-forming plants(新近形成泥炭的植物花粉和孢子的光谱荧光变化)”//International Journal of CoalGeology(国际煤炭地质杂志)，131(2014)263-273；[4]A.R.Mack和E.J.Brach.的“Laserfluorescence of sand and clay materials(沙子和黏土材料的激光荧光)”//Canadianjournal of soil science(加拿大土壤科学杂志).Vol.57，No.1，1977。

因此，已知各种灰尘来源的特性光谱，可以针对任何期望类型的光谱来调整多模式灰尘传感器的每个通道的二向色镜的参数，然后传感器将能够同时记录并确定若干灰尘来源。而且，通过改变每个通道中的激光辐射波长，可以影响灰尘，从而获得一个或另一个灰尘来源的荧光。取决于任务，可以一起或分别地使用对二向色镜的参数和每个通道中的激光辐射波长的调整。

分束器是本发明的多模式灰尘传感器的关键元件之一。分束器可以具有用于分裂辐射的任何常规设计。

激光器可以是任何常规激光器，包括具有受控波长的可重构二极管激光器。

显然，灰尘颗粒进入多模式灰尘传感器的概率与所使用的通道的数量成正比。即，激光器阵列越大，多模式灰尘传感器的灵敏度越高。

本发明显然可以广泛应用于例如真空净化器、空调等的家用电器。此外，由于其紧凑的尺寸，该多模式灰尘传感器可以嵌入到普通的智能手机中。因此，普通用户可以使用自己的智能手机来获得与空气中的过敏原的浓度和类型有关的信息，这对于过敏者很重要。此外，居住在环境不宜区域中的智能手机用户将能够独立地控制空气中的有害杂质的浓度和类型。

如上所述，根据各种示例实施例的多模式灰尘传感器可以包括：激光器阵列；准直透镜阵列，每个准直透镜布置在相应激光器之后；聚焦透镜阵列，每个聚焦透镜与相应准直透镜相对地进行设置；第一光电检测器阵列；二向色镜阵列，每个二向色镜之后是第一光电检测器阵列中的一个光电检测器；第二光电检测器阵列；二向色滤波器阵列，每个二向色滤波器之后是第二光电检测器阵列中的一个光电检测器；以及分束器，在第一光轴阵列和第二光轴阵列的光轴交点处，设置在二向色滤波器阵列与二向色镜阵列之间以及设置在聚焦透镜阵列与准直透镜阵列之间。

其中，每个二向色滤波器与相应二向色镜相对地进行设置，使得每个二向色滤波器与以下相应的元件布置在相同的光轴上：第二光电检测器阵列中的光电检测器、二向色镜、第一光电检测器阵列中的光电检测器，并且所述光轴形成第二光轴阵列。

其中，第一光轴阵列中的光轴和第二光轴阵列中的光轴彼此垂直；其中，激光器阵列中的每个激光器与相应的聚焦透镜和准直透镜布置在相同的光轴上，并且激光器阵列中的不同激光器的光轴彼此平行并形成第一光轴阵列。

根据各种实施例，分束器可以被定向为使得沿第一光轴阵列中的光轴从激光器传播到聚焦透镜的辐射部分地沿第二光轴阵列中的一个光轴指向其二向色滤波器中的一个二向色滤波器。其中，在从聚焦透镜到准直透镜的相反方向上沿第二光轴阵列中的光轴传播的辐射部分地沿第二光轴阵列中的相应光轴指向二向色镜，并且在位于分束器上的点处相交的来自第一光轴阵列和第二光轴阵列的每对光轴形成测量通道。

根据各种实施例，激光器阵列包括以相同波长操作的激光器。根据各种实施例，激光器阵列可以包括以不同波长操作的激光器。

根据各种实施例，第一光电检测器可以仅记录组合后的散射辐射和激光辐射，二向色镜可以反射激光辐射，并且二向色滤波器可以透射组合后的散射辐射和激光辐射。根据各种实施例，第二光电检测器可以仅记录荧光，二向色镜可以透射荧光并反射激光辐射，二向色滤波器可以反射荧光。

根据各种实施例，聚焦透镜可以是液晶。

根据本公开的各种实施例，一种多模式灰尘传感器的单个测量通道的操作方法可以包括：使激光辐射准直；将激光辐射分成两个光束(例如，第一光束和第二光束)；以及使第一光束聚焦以形成探测体积。

其中，进入探测体积的灰尘颗粒：

a)散射第一光束，从而提供零差操作模式，其中，第二光束和散射后的第一光束被组合；组合后的辐射落在记录多普勒效应的光电检测器上；和/或

b)发荧光，从而提供荧光操作模式，其中，荧光落在记录荧光的光电检测器上。

根据各种实施例，零差通道中的信号具有以下特性：

-振幅取决于颗粒大小；

-信号的持续时间(颗粒通过探测体积的飞行时间)和调制频率取决于颗粒的速度。

根据各种实施例，荧光通道中的信号具有以下特性：

-振幅取决于颗粒来源(主要贡献)和颗粒大小(远不那么重要的贡献)；

-信号的持续时间(颗粒通过探测体积的飞行时间)取决于颗粒的速度。

尽管已结合一些说明性实施例描述了本发明，但是应理解的是，本发明不限于这些特定实施例。相反，假定本发明包括可能在权利要求的实质和范围内的所有替代、修改和等同物。

此外，即使权利要求在审查过程中进行了修改，本发明也保留所要求保护的本发明的所有等同物。