CN104111226A - 一种小体积长光程的气体检测用光学腔体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体检测用光学腔体，由圆柱面反射镜1、平面反射镜2和平面反射镜4组成，其中平面反射经2和平面反射镜4分别位于圆柱面反射镜1上下两侧，入射光线不经过圆柱面反射镜1的中轴线，平面反射镜2或平面反射镜4中心设置台阶式气体交换孔3。本发明所述光学腔体中光源发出的光经反射镜n次反射后到达探测器接收面，大大增加了光程，实现了小体积长光程，可广泛应用于各种光学气体传感器。

Description

一种小体积长光程的气体检测用光学腔体

技术领域

本发明涉及一种光学腔体，具体为一种气体检测用光学腔体。属于光学气体传感器领域。

背景技术

近年来气体传感器市场的需求不断扩大，其中，光学气体传感器以其稳定性高、寿命长等优点得到人们的广泛重视，为提高光学传感器性能人们先后设计了一系列光学腔体。

例如，CN 1735801A公布了一种红外气体传感器，其光学腔体利用2个椭球面共1个焦点的方法实现了光路的单次折叠反射；WO 2004051240A公布了一种采用螺旋形光路的气体传感器；CN 101198856 B公布了一种气体传感器光学腔体，利用2个抛物柱面的共焦点巧妙地实现了光路的多次折叠；CN102680419 A公布了一种由外腔镜、内腔镜、前腔板和后腔板构成的光学气体多程腔。

虽然，以上已公开的资料设计精巧，但是单次反射的设计有效光程短，多次反射的设计加工或装配精度要求较高，不利于批量化生产，难以满足目前市场对气体传感器的需求。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种气体检测用光学腔体，其光路为多次反射折叠光路，单位面积有效光程长，且加工、装配简单，便于实现批量化生产。

本发明提供的一种气体检测用光学腔体，其特征在于：

①所述的腔体是由一个圆柱面反射镜和两个平面反射镜组成，其中两个平面反射镜分别位于圆柱面反射镜上、下两侧，入射光纤不经过圆柱面反射镜的中心，两个平面反射镜的中心设置台阶式气体交换孔；探测器轴线与光源轴线相交于圆柱面反射镜的内部；

②位于圆柱面下侧的平面反射镜与圆柱面一体成型，与位于圆柱面上侧的平面反射镜通过扣合方式装配成一体；

③台阶式气体交换孔用于防水透气膜的贴装和固定。

本发明所述圆柱面反射镜为光路主反射镜，主要负责光线传播过程中平行光的反射。

本发明所述分别位于圆柱面反射镜上、下两侧的两个平面反射境为光路辅助反射镜，主要负责光线传播过程中散射光的反射。

本发明所述气体交换孔为台阶式气体交换孔，以便于防水透气膜的贴装和固定。

本发明所述台阶式气体交换孔设置于两个平面反射境的中心，从而可避开了光线传播的通道，减小了光在传播中的损失。

本发明所述探测器轴线与光源轴线相交于圆柱形反射镜内部，否则将不能对入射光线进行有效的反射。

本发明所述光学腔体中光源发出的光到达圆柱面反射境，被圆柱面反射境汇聚反射到圆柱面另一侧，如此经n(n≥1)次反射后到探测器接收面。

根据三角形余弦定理，可得到入射光从入射点到第1次到达圆柱面反射镜的距离L1为：

其中R为圆柱面反射镜半径，α为光源入射角。

根据光学反射原理，入射光经n(n≥1)次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L为：

其中R为圆柱面反射镜1半径，α为光源入射角，n为红外光到达探测器前的反射次数。

本发明所述光源入射角α满足0°<α90°,超出此范围入射光将得不到有效的反射，到达不了探测器接收表面。

本发明所述圆柱面反射镜的半径R可根据光程设计需要自由调整。

由此可见，本发明所述光学腔体中光源发出的光经反射镜n次反射后到达探测器接收面，大大增加了光程，实现了小体积长光程，可广泛应用于各种光学气体传感器。

附图说明

图1为本发明所述气体检测用光学腔体结构示意图；

图2为图1所述的腔体结构剖面示意图；

图3为本发明所述气体检测用光学腔体示例平面示意图；

图4为本发明所述气体检测用光学腔体示例光程示意图。

具体实施方式

下面通过图1-图4的进一步描述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

本发明提供的气体检测用光学腔体如图1和图2所示。本发明提供的一种气体检测用光学腔体，其特征在于所述的光学腔体由圆柱面反射镜1、平面反射镜2和平面反射境4组成，其中平面反射镜2和平面反射镜4分别位于圆柱面反射镜1上下两侧，入射光线不经过圆柱面反射镜1的中轴线，平面反射镜2或平面反射镜4的中心设置台阶式气体交换孔3；

所述的腔体为柱形结构。平面反射镜4和圆柱面反射镜1一体成型，与平面反射镜2通过扣合的方式装配在一起构成气体检测用光学腔体；

探测器轴线与光源轴线相交于圆柱形反射镜1内部；

入射光线不经过圆柱面反射镜1的轴线；

光源发出的光经反射镜n(n≥1)次反射后到达探测器接收表面；

气体交换孔3设置于平面反射镜2或平面反射镜4的中心；

光程由圆柱面反射境1的半径R、光线入射角α和反射次数n决定。

实施例2

如图3所示，本发明提供的气体检测用光学腔体的平面示意图，其中圆柱面反射镜半径R为48mm，壁厚2mm，光源入射α为14.96度。

基于反射次数n取值越小，光线传播过程中损耗越小，单位面积上可实现的光程越短，空间利用率越低；反射次数n取值越大，单位面积上可实现的光程越长，光线传播过程中损耗越大的情况，综合评估后本发明实施例中n取值为10。

图4示出了本发明实施例所提供的气体检测用光学腔体光程示意图，入射光线到达圆柱面反射镜A处，经圆柱面汇聚反射后到达圆柱面反射镜B处，然后依次经圆柱面反射镜C、D、E、F、G、H、I、J处汇聚反射后到达探测器接收面，根据公式(2)可得到光程为：

本发明实施例所提供的腔体通过以下制作步骤得到：

第一步以黄铜或ABS塑料为原材料，通过数控加工机床加工实现腔室结构；

第二步腔室表面进行处理，粗糙度达到0.1，以满足光学镜面反射的要求；

第三步腔室表面进行镀金处理，提高对光的反射率，并起到防治铜被氧化、腐蚀的作用。

本发明所述气体检测用腔体加工原材料可以采用但不仅限于黄铜和ABS材料。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明技术方案而不是对其限制，尽管实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的技术人员仍可对本发明的技术方案进行更改或部分替换，其方案更改或替换不脱离本发明技术方案精神的均应包括在本发明申请保护的范围中。

Claims (9)

1.一种气体检测用光学腔体，其特征在于所述的腔体是由一个圆柱面反射镜和两个平面反射镜组成，其中两个平面反射镜分别位于圆柱面反射镜上、下两侧，入射光纤不经过圆柱面反射镜的中心，两个平面反射镜的中心设置台阶式气体交换孔；探测器轴线与光源轴线相交于圆柱面反射镜的内部。

2.按权利要求1所述的腔体，其特征在于位于圆柱面下侧的平面反射镜与圆柱面一体成型，与位于圆柱面上侧的平面反射镜通过扣合方式装配成一体。

3.按权利要求1所述的腔体，其特征在于台阶式气体交换孔用于防水透气膜的贴装和固定。

4.按权利要求1所述的腔体，其特征在于光学腔体中光源发出的光到达圆柱面反射境，被圆柱面反射境汇聚反射到圆柱面另一侧，经次反射后到探测器接收面；其中，n≥1。

5.按权利要求4所述的腔体，其特征在于入射光从入射点到第1次到达圆柱面反射镜的距离L1为：

式中R为圆柱面反射镜半径，α为光源入射角，0<α<90°。

6.按权利要求5所述的腔体，其特征在于α＝14.96°。

7.按权利要求4所述的腔体，其特征在于入射光经n次反射后到达探测器接收表面的距离，即光程L为：

式中R为圆柱面反射镜半径，α为光源入射角，n为红外光到达探测器前反射的次数。

8.按权利要求7所述的腔体，其特征在于n≥1。

9.按权利要求7或8所述的腔体，其特征在于n＝10。