КОМПАКТНЫЙ ДАТЧИК ПЫЛИ
COMPACT DUST SENSOR

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к датчикам пыли и, в частности, к компактным датчикам пыли, которые могут быть встроены в различные устройства, например, смартфон, мобильный телефон, интеллектуальные часы, планшетный компьютер и т.д.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] Существуют датчики пыли, которые требуют, чтобы полученные пробы воздуха передавались в лабораторию для проверки, что не позволяет проводить обработку проб воздуха в реальном времени, а также требует наличия профессионала для маркировки и микроскопического исследования проб. Также существуют датчики пыли, в которых детектирование выполняется в камере или канале датчика, где вентилятор создает направленный поток наружного воздуха, и детектирование производят в камере или канале датчика. Однако такие датчики пыли невозможно встроить в мобильные устройства из-за больших размеров таких датчиков.
[0003] В настоящее время ведется разработка по уменьшению размеров датчиков пыли или датчиков качества воздуха, которые работают в режиме реального времени для мониторинга окружающего воздуха.
[0004] В предшествующем уровне техники известны технические решения для детектирования пыли.
[0005] Патент США US8009290B2, выданный 30.08.2011 и озаглавленный «COMPACT, LOW COST PARTICLE SENSOR», предлагает датчик частиц, использующий фотодетектор, который непосредственно улавливает свет, рассеянный частицами, захваченными в текучей среде, проходящей через луч света. Луч света выравнивается так, чтобы он находился в непосредственной близости от фотодетектора. Луч света обычно создается лазером и соответствующей фокусирующей/коллимирующей оптикой. Луч света пересекает часть потока текучей среды, обеспечиваемого вентилятором. Такой датчик частиц имеет недостаточно малые размеры из-за вентилятора, что не позволяет его встраивать в устройства с малыми размерами, например, смартфон, мобильный телефон, интеллектуальные часы и т.д. Кроме того, этот датчик имеет малый объем детектирования и, следовательно, малую чувствительность.
[0006] Патент США US4808813, выданный 28.02.1989 и озаглавленный «SELF CONTAINED SURFACE CONTAMINATION SENSOR FOR DETECTING EXTERNAL PARTICULATES AND SURFACE DISCONTINUITIES», предлагает устройство для детектирования как неоднородностей поверхности, связанных с оптическим элементом, так и твердых частиц на поверхности оптического элемента. Загрязнение в виде твердых частиц, например, пыли, собирается на открытой стеклянной пластине. Освещение под углом, падающим на поверхность стеклянной пластины, заставляет твердые частицы рассеивать свет. Другой источник света освещает внутренний объем стекла, заставляя свет рассеиваться от неоднородностей поверхности. Любой из источников рассеяния света обнаруживается оптически чувствительным детектором, расположенным под стеклянной пластиной. Это устройство имеет малый объем детектирования и, следовательно, малую чувствительность, поскольку оно детектирует только частицы, собирающиеся на открытой стеклянной пластине.
[0007] Патент США US9857287B2, выданный 02.01.2018 и озаглавленный «PARTICULATE SENSOR DEVICE», предлагает устройство датчика частиц, имеющее устройство оптического излучателя, которое выполнено с возможностью испускания оптического излучения, так что объем, содержащий по меньшей мере одну частицу, возможно, присутствующую в нем, по меньшей мере частично освещается; оптическое детекторное устройство, имеющее по меньшей мере одну поверхность обнаружения, на которую попадает по меньшей мере часть оптического излучения, рассеянного по меньшей мере одной частицей; по меньшей мере одну линзу, которая расположена так, что испускаемое оптическое излучение фокусируется в области фокусировки внутри объема детектирования. Это устройство имеет малую чувствительность из-за малого объема детектирования, образованного сфокусированным лучом. Кроме того, такой датчик частиц имеет недостаточно малые размеры, что не позволяет его встраивать в устройства с малыми размерами.
[0008] Патент США US7167099B2, выданный 23.01.2007 и озаглавленный «COMPACT PARTICLE SENSOR», предлагает датчик частиц для обнаружения взвешенных частиц, который включает в себя корпус, источник света, светоприемник и множество оптических элементов. Такой датчик частиц содержит камеру, в которой производится детектирование, и, следовательно, имеет достаточно большие размеры, что не позволяет его встраивать в устройства с малыми размерами.
[0009] Заявка на патент США US20170276592A1, опубликованная 28.09.2017 и озаглавленная «VEHICULAR DUST SENSOR», предлагает автомобильный датчик пыли, который включает в себя корпус, имеющий внутреннее пространство, модуль источника света, расположенный во внутреннем пространстве корпуса и освещающий воздушный канал светом. Такой датчик частиц содержит камеру, в которой производится детектирование, и, следовательно, имеет достаточно большие размеры, что не позволяет его встраивать в устройства с малыми размерами.
[0010] Заявка на патент США US20170215670A1, опубликованная 03.08.2017 и озаглавленная «DUST SENSOR, DUST MEASURING APPARATUS, ROBOT CLEANER, AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME», предлагает устройство измерения пыли, которое включает в себя: корпус; оконный блок, открытый наружу через открывающуюся часть корпуса, так что пыль, присутствующая снаружи, собирается на оконном блоке; светоизлучающий блок, излучающий свет на оконный блок; блок приема света, принимающий свет, отраженный от оконного блока; и блок управления, измеряющий количество пыли, собранной на оконном блоке, на основе силы излучаемого света и силы принятого света. Это устройство имеет малый объем детектирования и, следовательно, малую чувствительность, поскольку оно детектирует только частицы, собирающиеся на открытом оконном блоке.
[0011] Существующие в настоящее время датчики пыли имеют следующие недостатки. Известные датчики пыли либо не обладают высокой чувствительностью и, следовательно, не обеспечивают высокую точность детектирования, либо имеют достаточно большие размеры из-за камеры для детектирования и/или вентилятора, которые не позволяют их встроить в мобильные устройства.
[0012] Настоящее изобретение создано для устранения вышеописанных недостатков и для обеспечения нижеописанных преимуществ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и уменьшение размеров датчика пыли для обеспечения компактного датчика пыли, который можно встроить в различные устройства, например, электронные вычислительные устройства, такие как смартфон, мобильный телефон, интеллектуальные часы, планшетный компьютер и т.д.
[0014] Один аспект настоящего изобретения обеспечивает датчик пыли, содержащий: источник света; волновод с выходной структурой, принимающий свет от источника света и выводящий свет через выходную структуру, при этом выходная структура выполнена с возможностью выводить поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице фотоприемника, над матрицей фотоприемника и не падающий на нее; и матрицу фотоприемника для детектирования света, рассеянного на частицах, пролетающих сквозь выведенный поток света.
[0015] В одном дополнительном аспекте выходная структура содержит дифракционный оптический элемент.
[0016] В другом дополнительном аспекте выходная структура содержит голографический оптический элемент.
[0017] В еще одном дополнительном аспекте выходная структура содержит отверстия, выполненные в волноводе.
[0018] В еще одном дополнительном аспекте выходная структура содержит борозды, выполненные в волноводе.
[0019] В еще одном дополнительном аспекте датчик пыли дополнительно содержит: второй источник света, излучающий свет с длинной волны, отличающейся от длины волны света, излучаемого упомянутым источником света; и второй волновод с выходной структурой, принимающий свет от второго источника света и выводящий свет через выходную структуру, при этом выходная структура выполнена с возможностью выводить поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице фотоприемника, над матрицей фотоприемника и не падающий на нее, при этом упомянутый волновод расположен с одной стороны матрицы фотоприемника, а второй волновод расположен с другой стороны матрицы фотоприемника, противоположной упомянутой одной стороне матрицы фотоприемника.
[0020] В еще одном дополнительном аспекте датчик пыли дополнительно содержит зеркало для отражения потока света, выведенного выходной структурой, при этом упомянутый волновод расположен с одной стороны матрицы фотоприемника, а зеркало расположено с другой стороны матрицы фотоприемника, противоположной упомянутой одной стороне матрицы фотоприемника.
[0021] В еще одном дополнительном аспекте волновод дополнительно содержит вторую выходную структуру, выполненную с возможностью выводить поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице фотоприемника, над матрицей фотоприемника и не падающий на нее, в противоположном направлении относительно потока света, выводимого упомянутой выходной структурой, при этом волновод расположен над матрицей фотоприемника.
[0022] В еще одном дополнительном аспекте датчик пыли дополнительно содержит второй источник света, излучающий свет с длинной волны, отличающейся от длины волны света, излучаемого упомянутым источником света, при этом источники света расположены с противоположных сторон волновода.
[0023] В еще одном дополнительном аспекте датчик пыли дополнительно содержит коллимационную оптическую систему, между источником света и волноводом для направления света на выходную структуру.
[0024] Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает электронное вычислительное устройство, содержащее: датчик пыли согласно любому варианту осуществления датчика пыли; по меньшей мере один процессор; и память, в которой хранятся инструкции, которые при выполнении по меньшей мере одним процессором, заставляют по меньшей мере один процессор выполнять определение гранулометрического состава воздуха.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0026] Фиг. 1 является схематичным изображением вида сверху варианта осуществления датчика пыли.
[0027] Фиг. 2 является схематичным изображением вида сбоку варианта осуществления датчика пыли, изображенного на фиг. 1.
[0028] Фиг. 3 является схематичным изображением вида сверху другого варианта осуществления датчика пыли.
[0029] Фиг. 4 является схематичным изображением вида сверху еще одного варианта осуществления датчика пыли.
[0030] Фиг. 5 является схематичным изображением вида сверху еще одного варианта осуществления датчика пыли.
[0031] Фиг. 6 является схематичным изображением вида сверху еще одного варианта осуществления датчика пыли.
[0032] Фиг. 7 является схематичным изображением вида сверху еще одного варианта осуществления датчика пыли.
[0033] Фиг. 8 является блок-схемой электронного вычислительного устройства, содержащего датчик пыли.
[0034] В последующем описании, если не указано иное, одни и те же ссылочные позиции используются для одних и тех же элементов, когда они изображены на разных чертежах, и их параллельное описание не приводится.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.
[0036] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.
[0037] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя множественность, если контекст явно не указывает иное.
[0038] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0039] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0040] На фиг. 1 показано схематичное изображение вида сверху варианта осуществления датчика 100 пыли, а на фиг. 2 показано схематичное изображение вида сбоку варианта осуществления датчика 100 пыли, показанного на фиг. 1.
[0041] Датчик 100 пыли содержит источник 101 света, волновод 103 с выходной структурой 105 и матрицу 107 фотоприемника. Например, источник 101 света и волновод 103 с выходной структурой 105 могут быть установлены непосредственно на матрице 107 фотоприемника или источник 101 света, волновод 103 с выходной структурой 105 и матрица 107 фотоприемника могут быть установлены на опорной пластине. Однако настоящее изобретение не ограничено перечисленными вариантами сборки датчика 100 пыли и установка источника 101 света, волновода 103 с выходной структурой 105 и матрицы 107 фотоприемника в датчике 100 пыли может быть осуществлена любым подходящим способом. Датчик 100 пыли может иметь размеры по длине и ширине 5 мм х 5 мм по существу равные длине и ширине матрицы 107 фотоприемника. Высота датчика 100 пыли может составлять около 2 мм согласно высоте матрицы 107 фотоприемника и поперечному сечению волновода 103.
[0042] На фиг. 1, 3-6 показано, что источник 101 света расположен на расстоянии от торца волновода 103, но для уменьшения размеров и увеличения эффективности работы датчика 100 пыли источник 101 света может примыкать к торцу волновода 103 или может быть прикреплен к торцу волновода 103.
[0043] Источник 101 света может быть источником когерентного света или источником некогерентного света, например, лазерным диодом, обычным лазером, светодиодом и т.д. Однако настоящее изобретение не ограничено перечисленными источниками света. Источник 101 света может быть любым компактным источником света. Датчик 100 пыли, содержащий источник когерентного света, будет иметь большую чувствительность по отношению к датчику 100 пыли, содержащему источник некогерентного света.
[0044] Волновод 103 может быть любым известным оптическим волноводом. Волновод 103 с выходной структурой 105 принимает свет от источника 101 света и выводит свет через выходную структуру 105. Выходная структура 105 выполнена в боковой стенке волновода 103 так, чтобы выводить поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице 107 фотоприемника, над матрицей 107 фотоприемника и не падающий на матрицу 107 фотоприемника. То есть, выходная структура 105 обеспечивает равномерное распространение света, излучаемого источником 101 света, в плоскости, параллельной плоскости матрицы 107 фотоприемника, предназначенной для детектирования света, при этом, свет, выходящий из выходной структуры 105 не падает на плоскость матрицы 107 фотоприемника, предназначенную для детектирования света.
[0045] В варианте осуществления датчика 100 пыли, показанном на фиг. 1 и 2, волновод 103 с выходной структурой 105 расположен с одной стороны матрицы 107 фотоприемника.
[0046] Матрица 107 фотоприемника может быть любой матрицей фотоприемника, например, КМОП-матрицей или ПЗС-матрицей. Как показано на фиг. 2 матрица 107 фотоприемника детектирует свет, рассеянный на детектируемых частицах, пролетающих сквозь поток света, выведенный из выходной структуры 105.
[0047] Выходная структура 105 может представлять собой дифракционный оптический элемент, голографический оптический элемент, отверстия, борозды, выполненные в боковой стенке волновода 103. Отверстия могут иметь любую форму. Кроме вышеперечисленного, выходная структура 105 может представлять собой элементы, выступающие над поверхностью стенки волновода 103, такие как, выступы разной формы, например, сферы, цилиндры и т.д. В качестве выходной структуры 105 может быть использована любая периодическая или квазипериодическая структура, которая, при нанесении на стенку волновода 103, нарушает закон полного внутреннего отражения на этой стенке волновода 103.
[0048] На фиг. 3 показано схематичное изображение вида сверху другого варианта осуществления датчика 100 пыли. Датчик 100 пыли может дополнительно содержать второй источник 101 света и второй волновод 103 с выходной структурой 105. Второй источник 101 света может излучать свет с длинной волны, отличающейся от длины волны света, излучаемого источником 101 света. Второй волновод 103 с выходной структурой 105 принимает свет от второго источника 101 света и выводит свет через выходную структуру 105, выполненную на стенке второго волновода 103. Выходная структура 105 второго волновода 103 выводит поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице 107 фотоприемника, над матрицей 107 фотоприемника и не падающий на нее. В этом варианте осуществления один волновод 103 расположен с одной стороны матрицы 107 фотоприемника, а второй волновод 103 расположен с другой стороны матрицы 107 фотоприемника, противоположной упомянутой одной стороне матрицы 107 фотоприемника.
[0049] Второй источник 101 света, второй волновод 103 с выходной структурой 105 и матрица 107 фотоприемника являются такими же, как и источник 101 света, волновод 103 с выходной структурой 105 матрица 107 фотоприемника, описанные в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, 2. Поэтому их подробное описание опущено.
[0050] На фиг. 4 показано схематичное изображение вида сверху еще одного варианта осуществления датчика 100 пыли. Датчик 100 пыли, описанный в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, 2, может дополнительно содержать зеркало 109, которое отражает поток света, выведенный выходной структурой 105 в сторону волновода 103. Волновод 103 с выходной структурой 105 расположен с одной стороны матрицы 107 фотоприемника, а зеркало 109 расположено с другой стороны матрицы 107 фотоприемника, противоположной стороне матрицы 107 фотоприемника, на которой расположен волновод 103 с выходной структурой 105.
[0051] На фиг. 5 показано схематичное изображение вида сверху еще одного варианта осуществления датчика 100 пыли. Этот вариант осуществления датчика 100 пыли отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, 2, тем, что волновод 103 дополнительно содержит вторую выходную структуру 105 и волновод 103 расположен над матрицей 107 фотоприемника. Волновод 103 может быть расположен в любом месте над матрицей 107 фотоприемника, но не сбоку от матрицы 107 фотоприемника. Предпочтительно, волновод 103 расположен над средней линией матрицы 107 фотоприемника. Вторая выходная структура 105 может быть такой же, как и выходная структура 105, описанная в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, 2. Вторая выходная структура 105 расположена на стенке волновода 103, противоположной стенке, на которой расположена выходная структура 105. Вторая выходная структура 105 выводит поток света, равномерно распространяющийся параллельно матрице фотоприемника, над матрицей фотоприемника и не падающий на нее, в противоположном направлении относительно потока света, выводимого упомянутой выходной структурой 105.
[0052] На фиг. 6 показано схематичное изображение вида сверху еще одного варианта осуществления датчика 100 пыли. Этот вариант осуществления датчика 100 пыли отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 5, тем, что датчик 100 пыли дополнительно содержит второй источник 101 света. Второй источник 101 света может излучать свет с длинной волны, отличающейся от длины волны света, излучаемого источником 101 света. Источники 103 света расположены с противоположных сторон волновода 103. Свет от источника 101 света поступает в один конец волновода 103, а свет от второго источника 101 света поступает в противоположный конец волновода 103.
[0053] На фиг. 7 показано схематичное изображение вида сверху еще одного варианта осуществления датчика 100 пыли. Этот вариант осуществления датчика 100 пыли отличается от других вариантов осуществления датчика 100 пыли тем, что между источником 101 света и волноводом 103 расположена коллимационная оптическая система 111, которая направляет свет от источника 101 света на выходную структуру 105. Если датчик 100 пыли содержит более одного источника 101 света, то датчик 100 пыли может содержать несколько коллимационных оптических систем 111, и между каждым источником 101 света и волноводом 103 может быть расположена коллимационная оптическая система 111.
[0054] На фиг. 8 показана блок-схема электронного вычислительного устройства 200, содержащего датчик 100 пыли. Электронное вычислительное устройство 200 может быть любым электронным вычислительным устройством, например, смартфоном, мобильным телефоном, интеллектуальными часами, планшетным компьютером и т.д.
[0055] Электронное вычислительное устройство 200 содержит датчик 100 пыли по любому из описанных вариантов осуществления, по меньшей мере один процессор 201 и память 203.
[0056] По меньшей мере один процессор 201 может включать в себя процессор общего назначения, такой как центральный процессор (ЦП), процессор приложений (AP) или тому подобное и/или специализированный процессор искусственного интеллекта (ИИ), такой как нейронный процессор (NPU).
[0057] По меньшей мере один процессор 201 управляет обработкой входных данных в соответствии с заданным правилом работы или моделью ИИ, хранящимися в памяти 203. Заданное правило работы обеспечивается инструкциями или командами, а модель ИИ обеспечивается посредством обучения.
[0058] Память 203 может представлять собой любую из энергозависимой памяти или энергонезависимой памяти. Память 203 хранит инструкции, которые при выполнении по меньшей мере одним процессором 201, заставляют по меньшей мере один процессор 201 выполнять определение гранулометрического состава воздуха.
[0059] Датчик 100 пыли детектирует частицы, находящиеся в воздухе, а по меньшей мере один процессор 201 обрабатывает данные, полученные датчиком 100 пыли для определения гранулометрического состава воздуха. Определение гранулометрического состава воздуха может выполняться любым известным способом, как с использованием ИИ, так и без использования ИИ.
[0060] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 1-8, приведенные описания являются примерными. Хотя предмет изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что предмет изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения.
[0061] Соответственно предполагается, что объем вариантов осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.