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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Pollensensor und ein
Verfahren dafür,
Pollenpartikel zu ermitteln und in Luft schwebende Pollenpartikel
auf einer Echtzeitbasis von anderen Partikeln zu unterscheiden.
Im Besonderen nehmen der Pollensensor und das Verfahren in Luft
schwebende Pollenpartikel wahr, die eine Ursache für Heufieber
sein können.
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Hintergrund
der Erfindung
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Normalerweise
ist ein Mikroskop benutzt worden, um unter Anwendung eines visuellen
Prüfungsverfahrens
die Anzahl von in Luft schwebenden Pollenpartikeln zu ermitteln,
in dem eine Glasplatte für
einige Zeit Luft ausgesetzt wird, um Pollenpartikel zu sammeln.
Die Glasplatte wird eingefärbt,
gefolgt von einer Zählung
der eingefärbten
Partikel durch die visuelle Prüfung
durch einen geschulten Techniker durch sein oder ihr Mikroskop (nachstehend
als das „Mikroskopverfahren" bezeichnet).
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Das
oben erwähnte
Mikroskopverfahren ist ein langwieriges, zeitaufwendiges Verfahren,
das fortgeschrittene Fertigkeiten erfordert, um die eingefärbten Pollenpartikel
durch visuelle Prüfung
zu zählen.
Außerdem
erlaubt das Mikroskopverfahren nicht, dass Pollenpartikel auf einer
wirklichen Echtzeitbasis ermittelt werden, was einen bedeutsamen
Nachteil darstellt. Auch ist der Platz, um Messungen unter Verwendung
eines Mikro skops durchzuführen
sehr beschränkt,
was einen weiteren Nachteil darstellt.
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Es
ist auch bekannt, Pollenpartikel unter Anwendung von polarisiertem
Licht auf einer Echtzeitbasis festzustellen. Dieses alternative
Verfahren wird im japanischen Patent mit der Nummer 5240768 und in
der japanischen Patentveröffentlichung
mit der Nummer 2001-83079 offenbart. Der im japanischen Patent mit
der Nummer 5240768 beschriebene Pollendetektor erfordert nicht die
Sachkenntnis, die das Mikroskopverfahren erfordert, und das Messergebnis kann überall auf
Echtzeitbasis erzielt werden. Dennoch ist die Menge der Pollenpartikel,
die in Luft schweben so gering, dass, um die verfügbare Anzahl von
Pollenpartikel zu steigern, ein großes Volumen der Luft in die
Nachweiszone geblasen werden sollte. Jedoch steigert dies auch die
Wahrscheinlichkeit von anderen schwebenden Partikeln, die simultan
in die Nachweiszone eingebracht werden. Da der im japanischen Patent
mit der Nummer 5240768 beschriebene Pollendetektor Pollenpartikel
nicht von anderem schwebenden Partikeln unterscheiden kann, ist der
Pollendetektor für
Fehler anfällig.
Außerdem
verringert entweder eine Abnahme der Leuchtenergie im Laufe der
Zeit, die aus der Lichtquelle emittiert wird oder eine Verunreinigung
der Linsen die Intensität der
gestreuten Lichtstrahlen, was es noch schwieriger macht, Pollenpartikel
von anderen Partikeln zu unterscheiden.
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Eine ähnliche
Detektionsvorrichtung wird in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2001-83079 beschrieben, die dazu in der Lage ist, schwebende
Partikel in Echtzeit zu messen. Diese Vorrichtung kann Pollenpartikel
nicht von anderen Partikeln unterscheiden, die die Nachweiszone
passieren, wenn das Volumen der in die Nachweiszone geblasenen Luft
gesteigert wird.
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Dementsprechend
weist diese Vorrichtung dieselben Mängel auf wie der im japanischen
Patent mit der Nummer 5240768 beschriebene Pollensensor.
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Ziele der
Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Pollensensor und
ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, die dazu in der Lage sind, die Anzahl von in der Luft
in einer Nachweiszone schwebenden Pollenpartikeln auf Basis von
Echtzeit genau zu zählen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Pollensensor
und ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, um Pollenpartikel genau von anderem schwebenden Partikeln
zu unterscheiden, selbst wenn die vom Beleuchtungsbereich emittierte
Lichtenergie mit der Zeit abgeschwächt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass der Grad
der Polarisierung von durch Pollenpartikel gestreuten Lichtstrahlen
geringer ist als der Grad der Polarisierung durch andere schwebende
Partikel, sogar von derselben Partikelgröße wie Pollenpartikel. Dieses
Prinzip wird beim Pollensensor gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet, um Pollenpartikel von anderen schwebenden Partikeln zu
unterscheiden.
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Der
Pollensensor der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Beleuchtungsbereich
für die
Beleuchtung von in Luft schwebenden Partikeln unter Verwendung von
Lichtstrahlen, die in einer vorgegebenen Richtung polarisiert sind;
einen ersten Empfänger
für das
selektive Messen der Intensität
(Ip) eines Lichtstrahls aus einer Nachweiszone, der parallel polarisiert
ist zu dem Lichtstrahl, der aus dem Beleuchtungsbereich in einer
vorgegebenen Richtung polarisiert ist, wobei der Lichtstrahl aus
einer Gruppe von Lichtstrahlen ausgewählt wird, die von den schwebenden
Partikeln gestreut werden; einen zweiten Empfänger für das selektive Messen der
Intensität
(Is) eines Lichtstrahls aus einer Nachweiszone, der senkrecht polarisiert
ist zu dem Lichtstrahl, der aus dem Beleuchtungsbereich in einer
vorgegebenen Richtung polarisiert ist, wobei der Lichtstrahl aus einer
Gruppe von Lichtstrahlen ausgewählt
wird, die von den schwebenden Partikeln gestreut werden und Mittel
für die
Unterscheidung von Pollenpartikeln von anderen schwebenden Partikeln
einschließlich
Mitteln zur Berechnung des Grades der Polarisierung von solchen
Partikeln als einen arithmetischen Wert aus der Intensität (Ip) des
durch den ersten Empfänger
detektierten polarisierten Lichtstrahls und der Intensität (Is) des
durch den zweiten Empfänger
detektierten polarisierten Lichtstrahls.
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In Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der Pollensensor: einen Beleuchtungsbereich
für die Beleuchtung
von in Luft schwebenden Partikeln unter Verwendung eines in einer
vorgegebenen Richtung polarisierten Lichtstrahls; einen ersten Empfänger zu Messung
der Intensität
(I) eines Lichtstrahls entsprechend der Dispersion des durch die
schwebenden Partikel gestreuten Lichtstrahls; einen zweiten Empfänger für die selektive
Messung der Intensität
(Is) von Lichtstrahlen, die senkrecht polarisiert sind zu durch
dem durch den Beleuchtungsbereich abgestrahlten Licht aus einer
Gruppe von Lichtstrahlen, die von den schwebenden Partikeln gestreut
werden; Mittel zur Unterscheidung von Pollenpartikeln von anderen
schwebenden Partikeln aus dem Grad der Polarisierung von solchen
Partikeln, errechnet aus der Intensität (I) des durch den ersten
Empfänger
detektierten gestreuten Lichtstrahls und der Intensität (Is) des
durch den zweiten Empfänger
detektierten polarisierten Lichtstrahls.
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Wenn
das einfallende Licht linear polarisiert wird (nachstehend als die „einfallende
Polarisierungsrichtung" bezeichnet),
kann der Grad der Polarisierung entweder als arithmetischer Wert
unter Verwendung von (Ip) berechnet werden, welches die Intensität von Licht
ist, das parallel zur einfallenden Polarisierungsrichtung polarisiert
ist und (Is), welches die Intensität von Licht ist, das in einer
senkrechten Richtung zur einfallenden Polarisierungsrichtung polarisiert
ist oder als ein arithmetischer Wert unter Verwendung von (I), welches
die Intensität
für das
gesamte polarisierte gestreute Licht ist und (Is), welches die Intensität von Licht
ist, das in einer senkrecht zur einfallenden Polarisierungsrichtung
polarisiert ist.
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Im
Besonderen kann der Grad der Polarisierung für die erste Ausführungsform
durch die Formel (Ip – Is)/(Ip
+ Is) ausgedrückt
werden, wobei (Ip) die Intensität
des Lichtstrahls ist, der in der einfallenden Polarisierungsrichtung
polarisiert ist, und (Is) die Intensität des Lichtstrahls ist, der
senkrecht zur einfallenden Polarisierungsrichtung polarisiert ist.
Alternativ dazu kann der Grad der Polarisierung für die zweite
Ausführungsform
durch die Formel (I – Is)/I
ausgedrückt
werden, wobei (I) die Intensität
für das
gesamte polarisierte gestreute Licht ist und (Is) die Intensität von einem
Lichtstrahl ist, der senkrecht zur einfallenden Polarisierungsrichtung
polarisiert ist. Ein Vergleich des Grades der Polarisierung durch
Pollenpartikel mit dem von anderen schwebenden Partikeln zeigt,
dass der Grad der Polarisierung für Pollenparti kel kleiner ist
als der von anderen schwebenden Partikeln. Dieses Merkmal ermöglicht es
dem Pollensensor, Pollenpartikel von anderen schwebenden Partikeln
zu unterscheiden.
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Vorteilhafte
Wirkungen der Erfindung
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Unter
Anwendung des Pollensensors und des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung kann jede Person auf Basis von Echtzeit Pollenpartikel
leicht von anderen schwebenden Partikeln unterscheiden und kann
eine Echtzeitanalyse der Pollenkonzentration durchführen. Weiterhin
kann die vorliegende Erfindung ungeachtet der Menge der an in die
Nachweiszone geblasenen Luft oder der durch die Nachweiszone geführten Anzahl
von schwebenden Partikeln Pollenpartikel von anderen Partikeln unterscheiden.
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Außerdem kann
die vorliegende Erfindung Pollenpartikel genau von anderen Partikeln
unterscheiden, obwohl die Leuchtenergie aus einer Lichtquelle im
Beleuchtungsbereich mit der Zeit schwächer wird und/oder eine Verunreinigung
der Linsen auftritt, die die Lichtenergie verringert, die die Nachweiszone
erreicht. Auf diese Weise ermöglichen
der Pollensensor und das Verfahren der vorliegenden Erfindung das
gleichzeitige Durchtreten von zwei oder mehr schwebenden Partikeln
mit einem zuverlässigen
Ergebnis, selbst wenn eine Verringerung des Lichtvolumens einer
Lichtquelle auf Grund der Problematik ihrer Lebensdauer auftritt
oder eine Verringerung des Volumens der Lichtdispersion auf Grund von
Schmutz auf einer Linse verursacht wird.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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1 zeigt
eine Ansicht im Querschnitt auf den Pollensensor gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine Draufsicht auf den Pollensensor gemäß 1, nach
unten blickend, wobei ein Teil des Gehäuses entfernt ist, um die Anordnung
des ersten und zweiten Empfängers
in Bezug auf den Beleuchtungsbereich zu zeigen;
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3 zeigt
eine schematische Sicht auf das Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
zur Bestimmung der Komponenten der Lichtintensität (Is) und der Lichtintensität (Ip) von Licht,
das durch die schwebenden Partikel gestreut wird;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines Schaltbildes des bevorzugten Mittels um
Pollenpartikel von anderen Partikeln im Pollensensor gemäß den 1 beziehungsweise 2 zu
unterscheiden;
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5 zeigt
ein Histogramm, das den Grad der Polarisierung durch Partikel aus
Polystyrollatex mit 20 Mikrometern Größe veranschaulicht;
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6 zeigt
ein Histogramm, das den Grad der Polarisierung durch Partikel aus
Latex mit 30 Mikrometern Größe veranschaulicht;
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7 zeigt
ein Histogramm, das den Grad der Polarisierung durch Partikel aus
Latex mit 40 Mikrometern Größe veranschaulicht;
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8 zeigt
ein Histogramm, das den Grad der Polarisierung durch Pollenpartikel
von japanischer Zeder veranschaulicht; und
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9 zeigt
eine Draufsicht auf einen Pollensensor, der ähnlich ist zu dem gemäß 2 und
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 9 der
Zeichnungen beschrieben. Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst
der Pollensensor gemäß der vorliegenden Erfindung
ein abschirmendes Gehäuse 14,
das einen begrenzten Bereich für
die Unterbringung eines Beleuchtungsbereichs 1 ausformt,
der eine einen Lichtstrahl erzeugende Quelle 4 umfasst,
vorzugsweise eine Halbleiterlaserdiode. Die einen Lichtstrahl erzeugende
Quelle erzeugt ein Lichtstrahl 20 zur Beleuchtung von einem
oder mehreren in Luft schwebenden Partikeln 25 (3)
innerhalb des Nachweiszone F. Der Lichtstrahl 20 weist
eine Richtung der Polarisation 22 senkrecht zur Ebene der
Seite der 2 auf, wie diagrammatisch in 3 veranschaulicht
wird. Der Pollensensor umfasst weiterhin einen ersten Empfänger 2,
der eine Photodiode 7 aufweist, die in der streuenden Polarisationsrichtung
des Lichtstrahls 20 ausgerichtet ist, vorzugsweise mit
60 Grad zu der einfallenden optische Achse „OA" zur Messung der Intensität (Ip) von
Lichtstrahlen, die polarisiert sind in einer Richtung parallel zu
der einfallenden Polarisationsrichtung des Lichts, das aus einer Gruppe
von Lichtstrahlen ausgewählt
ist, die von den schwebenden Partikeln gestreut werden; einen zweiten
Empfänger 3,
der eine Photodiode 10 aufweist, die in der Richtung der polarisierenden
Streuung zur Verfügung
gestellt wird, vorzugsweise mit 60 Grad zu der einfallenden optischen
Achse „OA", zur Messung der
Intensität
(Is) von Lichtstrahlen in einer Richtung 23, die senkrecht
polarisiert ist zu dem durch den Beleuchtungsbereich eingestrahlten
Lichtstrahl, der aus einer Gruppe von Lichtstrahlen ausgewählt ist,
die durch die schwebenden Partikel gestreut werden und einen elektronischen
Schaltkreis 32 zur Unterscheidung von Pollenpartikeln von
anderen schwebenden Partikeln.
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Der
Pollensensor umfasst auch einen Luftstromausgang 13, der
unten auf dem abschirmenden Gehäuse 14 angeordnet
ist, um durch einen Ventilator 26 aus der Atmosphäre angezogene
Luft zu Erhebung von Stichproben durch den Luftstromausgang 13 in
das abschirmende Gehäuse 14 zu
leiten. Die Luft zu Erhebung von Stichproben wird in den Sensor eingeführt in einer
Richtung vom Boden zum Kopfteil der Ebene, die 2 umfasst.
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Es
kann jede Art von Halbleiterlaserdiode 4, wie zum Beispiel
eine RLD 65 MZT 1, hergestellt von Rohm, verwendet werden, um die
Lichtstrahlen 20 zu erzeugen. Die Laserdiode 4 ist
in einem Beleuchtungsbereich 1 enthalten, der im Gehäuse 14 gelagert
ist, das, wie in den 1 und 2 gezeigt, auch
einen Polarisationsfilter 5 und eine Plastiklinse 6 umfasst.
Ein Beispiel für
einen Polarisationsfilter 5 ist der von Polaroid hergestelltes
HN 38. Der Polarisationsfilter 5 weist eine Polarisationsachse
in einer Richtung senkrecht zur Ebene der 2 auf und
ist senkrecht zur Plastiklinse 6 angeordnet. Die Plastiklinse 6 weist
eine fokale Länge „f" von vorzugsweise 10
mm auf, das heißt
f = 10 mm. Die Linse 6 ist auf solch eine Weise im Beleuchtungsbereich
des Sensors angeordnet, dass das durch den Polarisationsfilter 5 gesendete
Laserlicht parallele Strahlen aus Lichtenergie ausformt, wenn es
die Nachweiszone (F) erreicht. Die Nachweiszone F liegt an der Überschneidung
des Weges des Lichts durch den Filter 6 und des Weges des
zufällig
polarisierten Lichts 24 zum ersten und zweiten Empfänger 2 beziehungsweise 3.
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Der
erster Empfänger 2 umfasst
einen Polarisationsfilter 8 wie zum Beispiel HN 38,
hergestellt von Polaroid, einer Plastiklinse 9 (f = 10
mm) und eine Photodiode 7 wie zum Beispiel S 2506-02, hergestellt
von Hamamatsu Photonics zur Messung von Licht, das durch den Polarisationsfilter 8 gesendet wird.
Die Polarisationsachse des Polarisationsfilters 8 verläuft senkrecht
zur Ebene der 2, auf dieselbe Weise wie die
des Polarisationsfilters 5 in dem Beleuchtungsbereich 1 des
Pollensensors.
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Der
zweite Empfänger 3 umfasst
ein Polarisationsfilter 11 wie zum Beispiel HN 38,
hergestellt von Polaroid, eine Plastiklinse 12 (f = 10
mm) und eine Photodiode 10 wie zum Beispiel S 2506-02, hergestellt
von Hamamatsu Photonics zur Messung von Licht, das durch den Polarisationsfilter 11 gesendet wird.
Die Polarisationsachse des Polarisationsfilters 11 ist
senkrecht zur Polarisationsachse des Polarisationsfilters 5 eingestellt,
der parallel zur Ebene der 2 verläuft.
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Wie
in 4 gezeigt, werden das photoelektrische Stromumwandlungssignal
Ip und das photoelektrische Stromumwandlungssignal Is in die Strom-Spannungs-Wandler 35 beziehungsweise 36 eingespeist,
um die Spannungssignale Vp beziehungsweise Vs auszuformen. Die Spannungssignale Vp
und Vs werden mit Hilfe der entsprechenden Verstärker 37 und 38 verstärkt und
mit Hilfe der Analog-Digital-Konverter 40 und 41 in
Digitalsignale umgewandelt und in einen Mikroprozessor 39 eingespeist
zur Berechnung des Grades der Polarisierung als arithmetischen Wert
unter Verwendung von (Ip), der Intensität von polarisiertem Licht,
das durch den Empfänger
[2] detektiert wird und (Is), der Intensität von polarisiertem
Licht, das durch den zweiten Empfänger [3] detektiert
wird, entsprechend der folgenden Formel: Grad
der Polarisierung = (Ip – Is)/(Ip
+ Is).
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Die
Berechnung des Grades der Polarisierung, wie oben definiert, ermöglicht eine
Bestimmung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung leicht durchgeführt werden
kann, ob die wahrgenommenen Partikel Pollenpartikel oder andere
schwebende Partikel ausbilden. Es ist festgelegt worden, dass, wenn
die Berechnung des Grades der Polarisierung (Ip – Is)/(Ip + Is) im Bereich
von 0,35–0,75 liegt,
die wahrgenommenen Partikel Pollenpartikel ausbilden. Dieser Bereich
von 0,35–0,75
kann mit Änderungen
im Winkel der Ausrichtung zwischen der Photodiode des ersten und
zweiten Empfängers
und der Achse des den beleuchtenden Lichtstrahl erzeugenden Bereichs
(optische Achse) variieren, die, für die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, auf 60° gesetzt wurde. Die 5 bis 8 zeigen
Histogramme, die die vergleichende Messung des Grade der Polarisierung
veranschaulichen für
Partikel aus Polystyrollatex mit der Größe von 20 Mikrometern, für Partikel
aus Polystyrollatex mit der Größe von 30
Mikrometern, für
Partikel aus Polystyrollatex mit der Größe von 40 Mikrometern beziehungsweise
für Pollenpartikel
der japanischen Zeder. Die X-Achse
bezeichnet den Grad der Polarisierung (Ip – Is)/(Ip + Is); und die Y-Achse
bezeichnet die Häufigkeit
der Partikeldetektion. Wie aus den 5 bis 7 offensichtlich
wird, er gibt sich der Bereich der Messung des Grades der Polarisierung
für die Latexpartikel
von 0,7–1,0
und für
die Pollenpartikel der japanischen Zeder, wie in 3 gezeigt,
zwischen 0,35–0,75,
was eine mögliche Überlappung der
Messung im Bereich zwischen 0,70–0,75 ermöglicht. Obwohl eine Überlappung
der Messung des Grades der Polarisierung zwischen Pollenpartikel und
anderem schwebenden Partikeln existieren kann, besteht der Grad
der Überlappung
aus nur etwa 5% der gesamten Partikelanzahl und ist deshalb minimal.
Pollenpartikel sind daher mit Hilfe des Pollensensors und des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung leicht von anderen schwebenden Partikeln unterscheidbar.
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9 zeigt
eine Draufsicht, die die Konfiguration einer weiteren Ausführungsform
des Pollensensors gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Der Pollensensor in dieser Ausführungsform
schließt
den Filter 8 aus dem ersten Empfänger 2 aus und ist
ansonsten mit dem Pollensensor gemäß 2 identisch.
In 9 weisen die Bauteile, die dieselben Elemente
wie in dem gemäß 2 gezeigten
Sensor ausbilden, dieselben Bezugszeichen auf. In dieser Ausführungsform
erreichen von schwebenden Partikeln gestreute Lichtstrahlen die
Photodiode 7 direkt, ohne durch einen Polarisationsfilter zu laufen.
Als ein Ergebnis davon entspricht ein Ausgangssignal I einer photoelektrischen
Umwandlung der Intensität
von gestreuten Lichtstrahlen für
alle Richtungen der Polarisierung. Dementsprechend wird der Grad
der Polarisierung für
diese Ausführungsform
entsprechend der Formel berechnet: (I – Is)/I. Wenn der Grad der
Polarisierung innerhalb des Bereichs von 0,35 bis 0,75 fällt, stellen
die Partikel Pollenpartikel dar wie in der ersten Ausführungsform und
aus denselben Gründen.
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Es
sollte verstanden werden, dass, obwohl die Photodiode 7 im erster
Empfänger 2 und
die Photodiode 10 im zweiten Empfänger 3 jede in der
Streuungspolarisationsrichtung in einem Winkel von 60° zur einfallende
optische Achse OA ausgerichtet waren, es für diese Erfindung nicht wesentlich
ist, dass der Winkel auf 60° beschränkt wird,
und es kann in der Tat jeder Winkel innerhalb eines Bereichs von
0° bis 90° angewendet
werden. Alternativ dazu können die
gestreuten Strahlen, die in eine Linse eintreten, in eine Komponente
getrennt werden, die parallel zur Ebene der 2 verläuft, und
in eine andere Komponente, die senkrecht zur Ebene der 2 verläuft, unter
Verwendung von einem polarisierten Strahlenteiler, gefolgt von der
Analyse jeder Komponente mit Hilfe einer Photodiode. Der Grad der
Polarisierung kann auf diese Weise ebenfalls erhalten werden.