CN104390896B - 提高了测量精度的检测微小颗粒大小及形状的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高了测量精度的检测微小颗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球腔镜内，与样气流汇聚于球腔镜的一物点，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空间角范围内射向球腔镜的像点，在此像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
本发明是申请号：201310306923.5，名称：“检测微小颗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
微小颗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小颗粒的大小，对形状的检测很少涉及；不仅如此，这些仪器还存在接受角范围局限、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受角范围局限性问题，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，影响了检测精度、特别是形状的检测精度；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，且造价不高的检测微小颗粒的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，工作性能好的检测微小颗粒大小及形状的光学系统。
本发明的技术解决方案是：
一种检测微小颗粒大小及形状的光学系统，其特征是：包括球面腔镜，球腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在球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装置形成均匀性良好的平行光束，沿球腔镜的主轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即球腔镜的一物点处，前向散射光透过透镜后经第一光阑后被光电倍增管接受，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，并固定在球腔镜的外框体内；除前向散射光外的散射光汇聚于球腔镜上述物点的像点，然后经一透镜后被面形CCD接受，该像点处设有用以防止杂散光进入面形CCD的第二光阑，面形CCD接收的信号经输出后放大、处理。
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。
前向散射光接受探测器为光电倍增管，除前向外的散射光探测器为面形CCD，且这两种探测器分居于球腔镜主轴上。
光纤光束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，并呈圆形环绕在球腔镜的外框上。
激光器射出的光束经第一聚焦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、第一聚焦透镜、光纤接口固定在球腔镜的外框上；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，再经第三光阑及反射镜后使光束沿与球腔镜主轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在球腔镜的外框上；激光器功率为50~100mW的半导体激光器。
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，该光纤沿圆形环绕球腔镜行2.5周，光纤直径2mm, 环绕半径0.10m，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，该光束入射至球腔镜的一物点处，且入射方向为该系统的主轴方向，在该物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小颗粒在光敏区位置不同的影响；由于采用了纯净气稀释法，减少了微小颗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空间角范围接受的设计，既保证了采集微小颗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受，大空间角范围的其它散射光被面形CCD接受，以光电倍增管接受信号为主、CCD接受信号总值为辅的总信号大小决定了微小颗粒的大小；面形CCD的信号则用来确定微小颗粒的形状。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、采用面形CCD，可以大大提高对于微小颗粒形状的检测准确性。2、采用球面腔镜，加工容易，成本低廉。3、前向散射光的光电倍增管接受以及其它散射光的面形CCD接受的组合式的微粒大小检测方法，既接受了主要信息、减小了微粒形状及空间取向的影响，同时又由于CCD较过去的光电管采集了更多的散射光信息，因此在一定程度上也提高了微粒大小测量的精度。4、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。
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
一种检测微小颗粒大小及形状的光学系统，包括球面腔镜20，球腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在球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装置形成均匀性良好的平行光束，沿球腔镜的主轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即球腔镜的一物点处，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接受，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，并固定在球腔镜的外框体内；除前向散射光外的散射光汇聚于球腔镜上述物点的像点，然后经一透镜18后被面形CCD接受，该像点处设有用以防止杂散光进入面形CCD19的第二光阑17，面形CCD接收的信号经输出后放大、处理。
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。
前向散射光接受探测器为光电倍增管，除前向外的散射光探测器为面形CCD，且这两种探测器分居于球腔镜主轴上。
光纤光束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，并呈圆形环绕在球腔镜的外框上。
激光器1射出的光束经第一聚焦透镜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、第一聚焦透镜、光纤接口固定在球腔镜的外框上；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后使光束沿与球腔镜主轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在球腔镜的外框上；激光器功率为50~100mW的半导体激光器。
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，该光纤沿圆形环绕球腔镜行2.5周，光纤直径2mm, 环绕半径0.10m，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，该光束入射至球腔镜的一物点处，且入射方向为该系统的主轴方向，在该物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小颗粒在光敏区位置不同的影响；由于采用了纯净气稀释法，减少了微小颗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空间角范围接受的设计，既保证了采集微小颗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受，大空间角范围的其它散射光被面形CCD接受，以光电倍增管接受信号为主、CCD接受信号总值为辅的总信号大小决定了微小颗粒的大小；面形CCD的信号则用来确定微小颗粒的形状。
Claims (1)
1.一种提高了测量精度的检测微小颗粒大小及形状的光学系统，其特征是：包括球腔镜，球腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在球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装置形成均匀性良好的平行光束，沿球腔镜的主轴方向入射到光敏区，入射光束与样气流汇于光敏区，即球腔镜的一物点处，前向散射光透过透镜后经第一光阑后被光电倍增管接受，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，并固定在球腔镜的外框体内；除前向散射光外的散射光汇聚于球腔镜上述物点的像点，然后经一透镜后被面形CCD接受，该像点处设有用以防止杂散光进入面形CCD的第二光阑，面形CCD接收的信号经输出后放大、处理；
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，并呈圆形环绕在球腔镜的外框上；
激光器射出的光束经第一聚焦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、第一聚焦透镜、光纤接口固定在球腔镜的外框上；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，再经反射镜及第三光阑后使光束沿球腔镜主轴方向入射到光敏区，所述光纤的另一接口、准直透镜也固定在球腔镜的外框上；激光器功率为50～100mW的半导体激光器；
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，该光纤沿圆形环绕球腔镜行2.5周，光纤直径2mm， 环绕半径0.10m，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，该光束入射至球腔镜的一物点处，且入射方向为该系统的主轴方向，在该物点处与经稀释的样气流相遇，即形成光敏区。
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