CN104568682A - 一种激光粒度仪光学系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光粒度仪光学系统设计技术领域，具体涉及一种激光粒度仪光学系统设计方法。本发明方法设计的激光粒度仪光学系统，包括光阑、透镜和环形光电探测器，三者沿光路方向依次前后排列，所述光阑在光学系统设计时采用多位置变焦设计。本发明要解决的技术问题为现有技术中的激光粒度仪光学系统测量精度低。本发明的方法，光学系统设计时光阑位置在样品池范围内采用多位置变焦，像差校正时综合考虑了不同位置散射的光在接受器件的位置，有效提高了被粒子散射的相同方向平行光束经过透镜后的位置精度。

Description

一种激光粒度仪光学系统设计方法

技术领域

本发明属于激光粒度仪光学系统设计技术领域，具体涉及一种激光粒度仪光学系统设计方法。 

背景技术

如图1所示，激光粒度仪主要由发射组件、测量窗口和接收组件三部分组成。发射组件由光源和光束整形光学系统组成，激光器发出的激光束经聚焦、低通滤波和准直后为激光粒度仪提供单色平行照明光；测量窗口用于使被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便激光粒度仪获得样品的粒度信息；接收组件作为激光粒度仪光学系统的关键组件，其由透镜和环形光电探测器组成，环形光电探测器位于透镜的后焦面上，使相同传播方向的平行光聚焦在环形光电探测器的同一点上。环形光电探测器由多个中心在光轴上的同心半圆环组成，每个半环是一个独立的探测器单元，其结构如图2所示。 

如图3所示，激光源提供的平行光照射在被测样品粒子上被散射。散射光经过透镜后，具有相同散射立体角的光聚焦到环形光电探测器的同一个半环上。一个探测单元输出的光电信号代表一定立体角范围内的散射光能量，立体角范围大小由环形光电探测器的内、外半径之差以及透镜的焦距决定，各单元输出的信号就构成了散射光能的分布。由于不同大小的粒子对应不同的光能分布，因此通过散射光能分布能够推算出样品粒子尺寸分布。在环形光电探测器结构参数不变的情况下，焦距越小，相同探测半径对应的散射角越大，能测量的粒径越小。不同焦距的透镜对应于不同的测量范围。 

现有技术中的激光粒度仪光学系统设计时将光阑位置设定在透镜前表面处，如图3所示。平行光照射在焦距100mm透镜前一定范围内(200mm～40mm，本设计方法光阑变焦位置，如图5所示)，被该区域内的粒子散射，在不考虑二次散射的情况下，具有相同散射立体角的光聚焦到环形光电探测器的同一个半环上。被S1面处粒子散射的具有相同散射立体角的散射光经透镜聚焦到环形光电探测器的同一个半环上。上述散射光束中，对应环形光电探测器最大环径的最大散射立体角的散射光束确定了透镜的口径大小。透镜前样品池最近面Sn处粒子散射的光，与S1面处粒子散射的具有相同散射立体角的光，理论上应该聚焦在环形光电探测器相同半环的相同位置上，但由于光学系统像差的存在，透镜前最近面Sn处粒子散射的光，虽然与S1面处粒子散射的具有相同散射立体角的光，但在环形光电探测器上的聚焦位置不同，形成具有一定大小的弥散斑，进而影响系统测量精度。然而现有设计方法并未注意到这一点。 

发明内容

本发明要解决的技术问题为：现有技术中的激光粒度仪光学系统，光阑位置固定在透镜前表面，导致被透镜前最近面与最远面间的粒子散射的具有相同散射立体角的光在环形光电探测器上的聚焦位置差异大，测量精度低。 

本发明的技术方案如下所述： 

一种激光粒度仪光学系统设计方法，采用该方法设计的激光粒度仪光学系统，包括光阑、透镜和环形光电探测器，三者沿光路方向依次前后排列，光学系统设计时所述光阑在仪器测量样品池光轴方向范围内多位置变焦，光阑变焦位置范围为s1～sn之间。 

作为优选方案，光学系统设计时，控制不同光阑位置的主光线、上光线和下光线位置，使它们在环形光电探测器上的位置差最小。 

本发明的有益效果为： 

本发明方法设计的激光粒度仪光学系统，光阑位置在样品池范围内采用多位置变焦，有效提高了被粒子散射的相同方向平行光束经过透镜后的位置精度。 

附图说明

图1为激光粒度仪工作原理示意图； 

图2为激光粒度仪光学系统中的环形光电探测器阵列结构示意图； 

图3为现有激光粒度仪光学系统工作原理示意图； 

图4为按现有激光粒度仪光学系统设计方法设计的光学系统结构示意图； 

图5为本发明的激粒度仪光学系统工作原理示意图； 

图6(a)为光阑位于透镜前200mm时本发明的激光粒度仪光学系统光线传播方向示意图； 

图6(b)为光阑位于透镜前120mm时本发明的激光粒度仪光学系统光线传播方向示意图； 

图6(c)为光阑位于透镜前40mm时本发明的激光粒度仪光学系统光线传播方向示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种激光粒度仪光学系统设计方法进行介绍。 

本发明的一种激光粒度仪光学系统，包括光阑、透镜和环形光电探测器，三者沿光路方向依次前后排列，所述光阑在激光粒度仪测量窗口的样品池范围内多位置变焦，使样品池内被粒子散射的相同方向的光聚焦于环形光电探测器的同一个半环上，且位置差异最小。 

使用本发明方法设计激光粒度仪光学系统时，需要控制每个视场的主光线、上光线、下光线、左光线以及右光线在环形光电探测器上的位置，使弥 散斑最小；同时控制不同光阑位置，相同视场的主光线、上光线、下光线、左光线以及右光线在环形光电探测器上的位置，使弥散斑位置差最小。 

一定口径的平行光照射在透镜前200mm～40mm，在不考虑二次散射的情况下光被该范围内的粒子散射，本发明的方法和现有方法各视场对应弥散斑大小对比见表1。需要注意的是：由于现有激光粒度仪光学系统设计时并未考虑其实际使用情况，当对透镜前距S1面一定范围内粒子散射情况进行考察时，由于系统透镜口径的限制，透镜前该范围内的某些粒子散射的光系统不能探测到，因而最终导致系统探测精度进一步降低。 

表1 

本发明方法设计的光学系统相对于现有设计方法设计的光学系统，其绝大部分视场对应弥散斑较小，参考光线在环形光电探测器上的位置差异较小，光线汇聚度更高，系统测量精度更高。 

Claims (2)

1.一种激光粒度仪光学系统设计方法，其特征在于：激光粒度仪光学系统包括光阑、透镜和环形光电探测器，三者沿光路方向依次前后排列，所述光阑位置在光学设计时采用多位置变焦设计。

2.根据权利要求1所述的激光粒度仪光学系统设计方法，其特征在于：光学系统设计时，控制不同光阑位置的主光线、上光线和下光线位置，使它们在环形光电探测器上的位置差最小。