CN104359804B - 简洁、方便地检测微粒大小及形状的光学系统 - Google Patents

简洁、方便地检测微粒大小及形状的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种简洁、方便地检测微粒大小及形状的光学系统，激光束经光纤均匀化处理后，形成均匀性良好的平行光束，并通过合理的光路布局沿球面腔镜系统主轴方向射入到旋转对称椭腔镜内，与样气流汇聚于旋转对称椭腔镜的一焦点，样气流沿垂直于系统主轴方向导入，粒子前向散射光信号被一光电倍增管接受，用以作为粒子大小测量的主要信号。除前向以外的散射光在大角范围内射向旋转对称椭腔镜的另一焦点，在此焦点后的物镜像平面上置一面形CCD，主要用于检出粒度的形状信息。本发明布局巧妙，结构合理，工作效果好。

Description

简洁、方便地检测微粒大小及形状的光学系统
本发明是申请号：201310307346.1，名称：“用旋转对称椭腔镜检测微粒大小及形状的光学系统”，申请日：2013.7.22的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种光学传感器。
背景技术
微粒检测技术在科学研究、工业场所、大气环境监测中起到至关重要的作用。其检测技术主要有光学法、电学法、动力学法，其中光学法以测量范围广、不接触样品、快速、可自动化实时而被最广泛地应用，典型的仪器如库尔特仪、Climet和ROYCO粒子计数器、国产激光粒子计数器等。但这些仪器只能用来测量微粒的大小，对形状的检测很少涉及；不仅如此，这些仪器还存在接收角范围局限、光敏区的光均匀性较差的缺陷。为此，在专利[CN201110346535.0]中，设计了一种旋转对称椭腔镜的光学传感器，用于测量微粒的大小及形状，该传感器有效地克服了接收角范围局限性问题，对光敏区的光均匀性也有了一定改善，但由于大角散射光接收器仅采用位于三角形顶点的三个光电管，信息采集量过少，影响了形状的检测精度，对微粒的大小检测也产生了一定的影响；此外，该设计中为改善光束均匀性而采用的光路布局结构复杂，易受运输等影响。为此，本发明的目的在于提供一种结构合理，工作效果好的用旋转对称椭腔镜检测微粒大小及形状的光学系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理、工作性能好的用旋转对称椭腔镜检测微粒大小及形状的光学系统。
本发明的技术解决方案是：
一种用旋转对称椭腔镜检测微粒大小及形状的光学系统，其特征是：包括旋转对称椭腔镜，椭腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在椭腔镜的外框上固装激光器，并经一定光路布局后由光纤均匀性准直形成均匀性良好的平行光束，沿与旋转对称椭腔镜的长轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即旋转对称椭腔镜的一焦点处，前向散射光透过透镜后经第一光阑后被光电倍增管接收，原方向入射光束射入光陷阱，所述光陷阱由金属制成，且内壁涂有吸光材料，并固定在椭腔镜的外框体内；除前向散射光外的大角范围内的散射光汇聚于设有第二光阑的椭腔镜的另一焦点，然后经一透镜后被探测器面形CCD接收，第二光阑的设置用以防止杂散光进入探测器面形CCD，探测器面形CCD接收的信号经输出后放大、处理。
激光器射出的光束经第一透镜后汇聚于一光纤接口，此接口为所述光纤的入射端面，激光器、第一透镜、光纤接口固定在椭腔镜的外框上；光纤的输出端与另一接口相连，发出的光束经准直透镜后形成平行光束，再经光阑及反射镜后使光束沿与椭腔镜长轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在椭腔镜的外框上；激光器为功率50～100mW的半导体激光器。
光纤均匀性装置采用圆形绕行2.5周的梯度折射率分布的光能传输光纤，并呈圆形环绕在旋转对称椭腔镜的外框上。
前向散射光接收探测器为光电倍增管，除前向散射光外大角范围内散射光探测器为面形CCD，且这两种探测器位于椭腔镜的长轴上、分居于椭腔镜中心两侧。
样气的进、出气通道与系统的主轴垂直，在样气进气通道外套装稀释纯净气通道，且稀释纯净气通道出口比样气进气通道出口更靠近光敏区；进、出气通道的直径为2mm。
本发明的工作原理是：半导体激光器射出的光束经第一透镜聚焦于一梯度折射率分布的光能传输光纤的输入端面，该光纤沿圆形环绕旋转对称椭腔镜行2.5周，光纤直径2mm,环绕半径0.12m，输出端光束经准直透镜后形成平行光束，且其光束的均匀性良好，均匀光斑平顶因子可达0.82，该光束入射至旋转对称椭腔镜的一焦点处，且入射方向为该椭腔镜的长轴方向，在该焦点处与经稀释的样气流相遇，即形成光敏区。由于大大提高了光敏区光束的均匀性，因而大大减小了由于微粒在光敏区位置不同的影响；由于采用了纯净气稀释法，减少了微粒在光敏区重叠的可能性以及在腔内的残留，提高了微粒计数的准确性；由于采用基于前向的大角范围接收的设计，既保证了采集微粒散射光的主要信息，又大大减小了微粒形状及空间取向的影响。前向散射光被具有良好性能的光电倍增管接收，大角范围内的其它散射光被面形CCD接收，以光电倍增管接收信号为主、CCD接收信号总值为辅的总信号大小用来确定微粒的大小；面形CCD的信号则用来确定微粒的形状。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、采用面形CCD，可以大大提高微粒形状的检测准确性。2、采用巧妙且合理的光纤均匀化光束布局，大大提高了激光束的光束均匀性，同时构成简洁、方便实用、不受运输的影响。3、光电倍增管与面形CCD接收的组合式微粒大小检测方法，在保证接收前向散射主要信息的同时，也因为CCD较过去的光电管采集了更多的信息，而在一定程度上提高了微粒大小测量的精度。4、采用旋转对称椭腔镜接收散射光，最大程度地增加了接收角范围，较大程度地减小了微粒形状及空间取向的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中光纤均匀化光束的具体布置示意图。
具体实施方式
一种用旋转对称椭腔镜检测微粒大小及形状的光学系统，包括旋转对称椭腔镜20，椭腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在椭腔镜的外框上固装激光器，并经一定光路布局后由光纤均匀性准直形成均匀性良好的平行光束，沿与旋转对称椭腔镜的长轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即旋转对称椭腔镜的一焦点处，前向散射光透过透镜12后经第一光阑10后被光电倍增管11接收，原方向入射光束经反射镜9射入光陷阱13，所述光陷阱由金属制成，且内壁涂有吸光材料，并固定在椭腔镜的外框体内；除前向散射光外的大角范围内的散射光汇聚于设有第二光阑17的椭腔镜的另一焦点，然后经一透镜18后被探测器面形CCD19接收，第二光阑的设置用以防止杂散光进入探测器面形CCD，探测器面形CCD接收的信号经输出后放大、处理。
激光器1射出的光束经第一透镜2后汇聚于一光纤接口3，此接口为所述光纤的入射端面，激光器、第一透镜、光纤接口固定在椭腔镜的外框上；光纤的输出端与另一接口4相连，发出的光束经准直透镜5后形成平行光束，再经第三光阑6及反射镜7、8后使光束沿与椭腔镜长轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在椭腔镜的外框上；激光器为功率50～100mW的半导体激光器。
光纤均匀性装置采用圆形绕行2.5周的梯度折射率分布的光能传输光纤，并呈圆形环绕在旋转对称椭腔镜的外框上。
前向散射光接收探测器为光电倍增管，除前向散射光外大角范围内散射光探测器为面形CCD，且这两种探测器位于椭腔镜的长轴上、分居于椭腔镜中心两侧。
样气的进、出气通道14、16与系统的主轴垂直，在样气进气通道外套装稀释纯净气通道15，且稀释纯净气通道出口比样气进气通道出口更靠近光敏区；进、出气通道的直径为2mm。

Claims (1)

1.一种简洁、方便地检测微粒大小及形状的光学系统，其特征是：包括旋转对称椭腔镜，椭腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在椭腔镜的外框上固装激光器，并经一定光路布局后由光纤均匀性准直形成均匀性良好的平行光束，沿与旋转对称椭腔镜的长轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即旋转对称椭腔镜的一焦点处，前向散射光透过第一透镜后经第一光阑后被光电倍增管接收，原方向入射光束射入光陷阱，所述光陷阱由金属制成，且内壁涂有吸光材料，并固定在椭腔镜的外框体内；除前向散射光外的大角范围内的散射光汇聚于设有第二光阑的椭腔镜的另一焦点，然后经第二透镜后被探测器面形CCD接收，第二光阑的设置用以防止杂散光进入探测器面形CCD，探测器面形CCD接收的信号经输出后放大、处理；
激光器射出的光束经第一透镜后汇聚于一光纤接口，此接口为所述光纤的入射端面，激光器、第一透镜、光纤接口固定在椭腔镜的外框上；光纤的输出端与另一接口相连，发出的光束经准直透镜后形成平行光束，再经光阑及反射镜后使光束沿与椭腔镜长轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在椭腔镜的外框上；激光器为功率50～100mW的半导体激光器；
样气的进、出气通道与系统的主轴垂直，在样气进气通道外套装稀释纯净气通道，且稀释纯净气通道出口比样气进气通道出口更靠近光敏区；进、出气通道的直径为2mm；
光纤均匀性装置采用圆形绕行2.5周的梯度折射率分布的光能传输光纤，并呈圆形环绕在旋转对称椭腔镜的外框上；
前向散射光接收探测器为光电倍增管，除前向散射光外大角范围内散射光探测器为面形CCD，且这两种探测器位于椭腔镜的长轴上、分居于椭腔镜中心两侧；
半导体激光器射出的光束经第一透镜聚焦于一梯度折射率分布的光能传输光纤的输入端面，该光纤沿圆形环绕旋转对称椭腔镜行2.5周，光纤直径2mm，环绕半径0.12m，输出端光束经准直透镜后形成平行光束，均匀光斑平顶因子达0.82，该光束入射至旋转对称椭腔镜的一焦点处，且入射方向为该椭腔镜的长轴方向，在该焦点处与经稀释的样气流相遇，即形成光敏区。
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