CN104155243A - 一种光学气室及其计算总光程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学气室及其计算总光程的方法，涉及光线分析仪对气体成分测量的领域，包括气室腔体模块和平面反射模块，所述的平面反射模块构成一两端开口的方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，所述的方体结构由气室腔体模块固定，并且所述的气体腔室模块提供测试气体，根据该气室结构的形状选择坐标系，并且进行总光路计算。本发明结构简单，配合计算方法可以有效得出光线在气体中的总光程，实现在较小空间中光路最大化，并可减少光路重叠造成干涉问题。

Description

一种光学气室及其计算总光程的方法

技术领域

本发明涉及光线分析仪对气体成分测量的领域。 

背景技术

目前，应用于红外线分析仪中的气室主要包括直通式气室和多次反射式气室两种，利用气体对光的吸收或散射，可以检测气体的浓度；其中直通式气室结构简单、气室容积小、反应速度快，是工业中高浓度气体分析常用的方法。但是，直通式气室受标准机箱大小规格的限制，使光程不超过20mm，因此直通式气室仅限于高浓度气体的测量，多次反射气室的特点是在有限的空间内利用多次反射的原理增大光程，从而增加光学深度，但是由于气室结构的原因，现有的多次反射式气室的光程至少为800mm,因此现有的多次反射气室仅适合于微量气体的分析测量，也就是说传统气室无法得到范围为200mm-800mm的光程。而检测仪器的信号强度与精度往往与气体在整个气室中的光程正相关。因此高精度的检测仪器意味着气室的尺寸更大，体积更大，也意味着这样的气室设计不能够做得小巧便携。专利号为200820123271.6公开了一种多次反射气室，其利用多次反射的原理，可在一狭窄空间内进行测量，然而，由于其所使用的反射面均为曲面镜，在多次反射光路中，光路在池腰部一般有多次交叉重叠，在这部分重叠将会导致测量的准确性问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种利用两个平面反射镜构成的多次折返光路的光学气室，使得相同大小相同体积的气室，可避免光线重叠交叉同时测量更精确。 

为达到上述目的，本发明采用以下方案： 

一种光学气室，包括气室腔体模块和平面反射模块，所述的平面反射模块构成一两端开口的方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，所述的方体结构由气室腔体模块固定，并且所述的气体腔室模块提供测试气体。

以上所述的一种光学气室的技术方案中，优选地，所述的平面反射模块为一L型的直角反射镜，两个所述的平面反射模块构成方体结构的外表面镀银膜，内表面为反射面。 

以上所述的一种光学气室的技术方案中，优选地，所述的直角反射镜构成长方体或者正方体的方体结构。 

以下提供一种测量总光程的计算方法： 

一种使用光学气室计算总光程的方法，气室腔体模块内设置由平面反射模块组合成方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，气室腔体模块预留光线出口、光线入口、气体出口和气体入口，所述的方体结构由气室腔体模块固定，建立平面直接坐标系X-Y，方体结构内部一直角的一边为X轴正轴，另一边为Y轴正轴，从光线入口入射的平面反射模块后，第一次的反射点在X轴上，则第一反射点为（0，y₀），第二反射点为（x₀，0），共经过四段共经四段光路到达最初反射面即左侧镜面的第五个反射点为（0，y₁），其中

y₁=y₀+dy， 

其中：=tanα，=tanβ

从面出发，经过面反射再返回面，光线在x-方向共行进的距离为，其总光程为： 

。

本发明的有益效果是：1. 使用一种新的直角反射结构，可以增加反射更次数，同时使用反射设备数量减少，反射次数可调（调整入射角度）；2. 尽量充分地利用气室的体积，延长光路；3. 实际光路是两组平行或反平行的折线，同时，由于每个反射循环较之前在轴向前进一段距离，所以每一段光路都不相交，也不互相重叠，因此避免了光线与自身的干涉；4.通过配合的计算方法，无论反射次数多少，每一个返回原反射面的光程皆可计算；5. 通过配合的计算方法，如果入射角度和位置固定不变，则出射光的角度及位置可以确定，光线入射口和出射口的位置可据此设定预留。如入射角度可调，则出射光的角度及位置也随之变化，适宜在气室开口端预留出射光的接受装置及其位置和角度的调节机制。 

附图说明

图1 为本发明以两个L形直角反射镜作为直角反射模块的结构示意图; 

图2为光线的倾角、矩形对角线的倾角以及反射点在不同情况下的光路示意图；

图3为光线在两直角反射模块在XYZ三轴分别投影的轨迹关系图以及立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步说明，需要说明的是，以下实施例中所提到的方向用语，例如“上、下、左、右”仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。 

如图1-3所示，一种光学气室，包括气室腔体模块和平面反射模块，所述的平面反射模块构成一两端开口的方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，所述的方体结构由气室腔体模块固定，并且所述的气体腔室模块提供测试气体，所述气室腔体模块为基本封闭的结构，预留光线的出口、光线的出口以及气体的出口和气体的出口；气体可通过扩散或气泵实现交换。 

以上所述的一种光学气室的技术方案中，优选地，所述的平面反射模块为一L型的直角反射镜，两个所述的平面反射模块构成方体结构的外表面镀银膜，内表面为反射面，整个反射腔可视为四个直角反射模块。 

以上所述的一种光学气室的技术方案中，优选地，所述的直角反射镜构成长方体或者正方体的方体结构。 

以下提供一种测量总光程的计算方法： 

基本原理是：气室腔体模块及直角反射模块均预留或容许有光线的出入口。光线自入口入射到直角反射模块上，经两次反射，在与直角反射模块轴向垂直的方向上改变180度，入射到另外一个直角反射模块上，如此反复，每次在轴向前进一小段距离，直至从光线出口出射。

一种使用光学气室计算总光程的方法，气室腔体模块内设置由平面反射模块组合成方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，气室腔体模块预留光线出口、光线入口、气体出口和气体入口，所述的方体结构由气室腔体模块固定，将三维空间中的光路沿直角反射模块轴向投影，如图2（a）所示建立平面直接坐标系X-Y，方体结构内部一直角的一边为X轴正轴，另一边为Y轴正轴，从光线入口入射的平面反射模块后，第一次的反射点在X轴上，则第一反射点为（0，y₀），第二反射点为（x₀，0），共经过四段共经四段光路到达最初反射面即左侧镜面的第五个反射点为（0，y₁），其中 

  y₁=y₀+dy， 

其中：=tanα，=tanβ

α 和 β分别为第一段光线的倾角和矩形对角线的倾角；

从面出发，经过面反射再返回面，光线在x-方向共行进的距离为，其总光程为： 

若 α<β 则 dy>0，反射点上移，如图2（a）所示。若 α>β 则 dy<0，反射点下移，如图2（b）所示。若 α相对于β进一步减小，反射点进一步上移，光线有可能提前返回，如图2（d）所示，经三段甚至两段光路即已到达最初反射面。同样，若α相对于β进一步增大，反射点进一步下移，光线有可能推迟返回，即如图2（c）所示，经五段甚至更多光路才到达最初反射面。

若 α=β即，则第一、五反射点正好重合，形成闭合回路，将如图3（d）所示三维空间中的光路沿直角反射模块轴向投影，则每一个反射循环有四段光路，如图3（a）所示。沿直角反射模块两直角边的方向分别投影，则每一个反射循环有两段光路，如图3（b）和图3（c）所示。每一个循环光路在轴向上前进 dz，如直角反射模块轴向长度为Lz，则整个光路共有约Lz/dz次循环。每一个循环的光程为三维折线ABCDE的长度，如果dz远小于AB或BC，则三维折线ABCDE的长度约为其轴向投影的长度 

；总光程为Lz *L(ABCD)/dz。

如图3（a）所示，图3各子图则示出了一条光线在两直角反射模块之间反射的光路投影轨迹以及立体轨迹。更一般地，若，其中m，n为整数，则光路投影也能够闭合。无论反射次数多少，每一个返回原反射面的光程皆可计算。由于气室前后端两面均开放，光线入射和出射口可分别设置于前后端。或者可在接近端面处留出入射口和出射口。角度限制仅取决于光线截面大小及每次反射循环的z-轴步进距离dz。 

如果入射角度和位置固定不变，则出射光的角度及位置可以确定，光线入射口和出射口的位置可据此设定预留。如入射角度可调，则出射光的角度及位置也随之变化，适宜在气室开口端预留出射光的接收装置及根据其位置和角度所需的调节机制。 

以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。 

Claims (4)

1.一种光学气室，其特征在于:包括气室腔体模块和平面反射模块，所述的平面反射模块构成一两端开口的方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，所述的方体结构由气室腔体模块固定，并且所述的气体腔室模块提供测试气体。

2.根据权利要求1所述的一种光学气室，其特征在于：所述的平面反射模块为一L型的直角反射镜，两个所述的平面反射模块构成方体结构的外表面镀银膜，内表面为反射面。

3.根据权利要求2所述的一种光学气室，其特征在于：所述的直角反射镜构成长方体或者正方体的方体结构。

4.一种使用光学气室计算总光程的方法，其特征在于：气室腔体模块内设置由平面反射模块组合成方体结构，方体结构的相邻侧面相互垂直，气室腔体模块预留光线出口、光线入口、气体出口和气体入口，所述的方体结构由气室腔体模块固定，建立平面直接坐标系X-Y，方体结构内部一直角的一边为X轴正轴，另一边为Y轴正轴，从光线入口入射的平面反射模块后，第一次的反射点在X轴上，则第一反射点为（0，y₀），第二反射点为（x₀，0），共经过四段共经四段光路到达最初反射面即左侧镜面的第五个反射点为（0，y₁），其中            y₁=y₀+dy，                                                

其中：=tanα，=tanβ

从面出发，经过面反射再返回面，光线在x-方向共行进的距离为，其总光程为： 

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