CN109283136A - 具有大量程的光腔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光腔(1)，其包括：一组旨在接收光源(S)发出的光线的椭圆镜(M1至M5)，从所述椭圆镜(M1至M5)射出的光线旨在由检测器(D)接收；由该组椭圆镜(M1至M5)共享的第一共用焦点(F1)和第二共用焦点(F2)，所述光源(S)旨在设置在所述第一共用焦点(F1)处，所述检测器(D)旨在设置在所述第二共用焦点(F2)处；外廓部，其包括由连续地设置的该组椭圆镜(M1至M5)形成的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及光腔的技术领域。本发明尤其应用于光谱传感器中。光谱传感器包括光腔、发出光线的光源，和光线检测器。光源可例如是量子级联激光器或热源。作为应用，可举出流体传感器、颗粒传感器、生物传感器等的例子。
更确切地说，可举出用于检测例如气体的流体的非色散红外传感器(传统地称作NDIR，对应英文“Non-Dispersive InfraRed”)的例子。红外光源优选地是热源。“红外”指包括在0.78μm至12μm的范围内的波长。红外检测器可例如是红外探测器或高温计。优选地考虑的应用在于检测工业环境中的气体，例如CO2。该检测传统地是阈值检测。另一可行的应用在于分析气体，这意味着精确、选择性且稳定的定量测量，以获得对构成的分析，甚至单独地检测所吸入的空气的CO2含量。这样的NDIR传感器可集成在例如手机、计算机、相机等的便携系统中。本发明也可应用在用于自动化设备、内部和外部空气质量分析、工业检测器等的固定系统中。
背景技术
NDIR传感器的运作原理在于通过红外检测器测量当待检测气体位于光腔内部时光强度的降低。实际上，位于光腔内部的气体吸收对于待检测气体特定的波长(或特定的光谱带)的红外光。为此，当光源是热源时，红外检测器传统地设有适于过滤预定的所述波长(或光谱带)的滤波器。
例如，假设气体分子均匀分布，比尔-朗伯定律为光穿过气体的透过率T提供以下公式：
T＝exp(-σNl)
其中：
-σ是一个气体分子的有效吸收截面；
-N是单位体积的气体分子数；
-l是气体与光之间的相互作用长度。
作为例子，对于CO2，相互作用长度l优选地包括在数毫米至数十厘米的范围内。
追求紧凑、低成本且低电能消耗的NDIR传感器。因为追求高度的紧凑性，由于大的相互作用长度(可达到数十厘米)，使用在光源与红外检测器之间具有直接路径(其中包括存在透镜)的光腔是不可行的。“具有直接路径的腔”指以没有能折叠光束的镜子的方式运作的腔。
已知折叠光腔，即在光腔中设置镜子，以沿着来自该或该些镜子上的相继反射的间接路径来引导光源发出的光线。
由现有技术、尤其是由文献DE4102146已知的光腔包括旨在反射光源发出的光线的椭圆镜。光源设置在椭圆镜的一个焦点处，检测器设置在椭圆镜的另一焦点处。由此，如果考虑几何光学模型，光源发出的光线经过光腔两次。
如果将最小可检测气体浓度记为Cmin，最大可检测气体浓度记为Cmax，可证实对于现有技术的这样的光腔，Cmin和Cmax满足以下关系：
其中：
-α(单位为ppm-1m-1)是气体对所考虑的光线波长的吸收系数；
-β是与没有气体的光腔的内在损失相关的衰减系数；
-l(单位为m)是光腔内的气体与光之间的相互作用长度；
-P0是源发出的光线的强度；
-ε是检测器的噪音。
在可检测浓度范围的幅度方面，现有技术的这样的腔不完全令人满意。追求具有幅度尽可能大的可检测浓度范围、即量程[Cmin,Cmax]区间尽可能大的光谱检测器。
发明内容
本发明旨在完全或部分地弥补上述缺陷。为此，本发明的主题在于一种光腔，其包括：
-一组旨在接收光源发出的光线的椭圆镜，从椭圆镜射出的光线旨在由检测器接收；
-由该组椭圆镜共享的第一共用焦点和第二共用焦点，光源旨在设置在第一共用焦点处，检测器旨在设置在第二共用焦点处；
-外廓部，其包括由连续地设置的该组椭圆镜形成的一部分。
由此，相对于现有技术，在同等的紧凑性下，根据本发明的这样的光腔准许更大的量程[Cmin,Cmax]区间，并且这是借助于由椭圆镜组共享的第一和第二共用焦点实现的，椭圆镜连续地设置以形成光腔的外廓部的一部分。实际上，具有小的半长轴的该组椭圆镜用于检测高气体浓度(未吸收饱和)，而具有大的半长轴的该组椭圆镜用于检测低气体浓度(光学路径足够长以显著地吸收光)。
定义
-“外廓部”指所有外部地限定光腔的表面。
-“连续地”指椭圆镜组没有中断地彼此直接相继。
根据本发明的光腔可包括一个或多个以下特征：
根据本发明的一个特征，每个椭圆镜都具有半长轴；并且，椭圆镜这样地连续地设置以使得连续的半长轴形成单调序列。
由此，所获得的一个优点在于确保了两个连续椭圆镜之间的浓度测量连续性。
根据本发明的一个特征，椭圆镜这样地从第一共用焦点向着第二共用焦点连续地设置以使得所述单调序列是严格递增的。
由此，所获得的一个优点在于避免存在遮挡从椭圆镜射出的光线的区域。这些遮挡区域不允许光线向检测器汇聚，导致损失光通量。
根据本发明的一个特征，所述单调序列是几何序列。
根据本发明的一个特征，所述几何序列具有记为q的满足以下公式的公比：
q＝G log(G)
其中G是常数。
根据本发明的一个特征，椭圆镜这样地连续地设置以形成接合部，每个接合部沿着经过第一共用焦点的轴线延伸。
由此，所获得的一个优点在于避免在接合部处存在遮挡从椭圆镜射出的光线的区域。
根据本发明的一个特征，第一和第二共用焦点限定直线，每个接合部的延伸轴线与该直线形成记为θi的从第一共用焦点朝向第二共用焦点的角度，该角度满足以下公式：
其中：
-i是第i个两个连续椭圆镜之间的接合部；
-N是椭圆镜的数量。
由此，所获得的一个优点在于每个椭圆镜接收光线的相同功率比例，这对于朗伯光源特别有利。
根据本发明的一个特征，所述光腔包括适于反射所述光线并布置在所述椭圆镜组两侧以形成波引导件的相对的两个反射端部。
由此，这样的反射端部形成设置为沿着光腔的厚度的方向引导光线的波引导件。已经观察到，总是能够在光腔的平面中使得光源与检测器共轭，并且这是尽管额外存在沿着垂直于腔的平面的方向设置的这样的波引导件的。由此，通过这样的反射端部所获得的一个优点在于：
-相对于现有技术，提高所述光腔的光学效率；或
-相对于现有技术，对于相同的光学效率，允许减小所述光腔的厚度(改善紧凑性)。
而现有技术的光腔允许获得在光腔的平面中紧凑但在光腔的厚度中不紧凑的传感器。实际上，光腔的厚度是由光源的厚度决定的。光腔的厚度的减小导致光源尺寸的减小，由此导致损失光学效率。一个补偿可行性在于提高光源的功率，这不利于电能消耗。
本发明的主题还在于一种光谱传感器，其包括：
-符合本发明的光腔；
-设置在第一共用焦点处的用于发出光线的光源；
-设置在第二共用焦点处的用于接收从椭圆镜射出的光线的检测器。
附图说明
其它特征和优点在对本发明的不同实施方式的详细说明中将变得显而易见，该说明配有例子并参照附图。
图1是一个包括根据本发明的第一实施方式的光腔的光谱传感器的横向截面示意图。为了增进理解，椭圆形的构造线是可见的。
图2至5是类似于图1的示出根据本发明的不同实施方式的光腔的视图。
图6是示出根据本发明的一个实施方式的光腔的维度(单位为微米)的图。
图7是在横坐标上示出检测器接收到的光信号强度衰减并在纵坐标上示出气体折射系数的虚部的图，该图是对于现有技术的光腔(CAV1)和根据本发明的光腔(CAV2)示出的。
“横向”指垂直于沿着光腔的厚度的方向(记为Z)的方向。截面在图中记为(X,Y)，对应于光腔的平面。
具体实施方式
出于简化的考虑,对于不同实施方式，相同或确保相同功能的元件将具有相同的附图标记。
本发明的一个主题在于一种光腔1，其包括：
-一组椭圆镜M1至M6，所述椭圆镜旨在接收由光源S发出的光线2，从椭圆镜M1至M6射出的光线2旨在由检测器D接收；
-由该组椭圆镜M1至M6共享的第一共用焦点F1和第二共用焦点F2，光源S旨在设置在第一共用焦点F1处，检测器D旨在设置在第二共用焦点F2处；
-外廓部，其包括由连续地设置的该组椭圆镜M1至M6形成的一部分。
椭圆镜
每个椭圆镜M1至M6形成椭圆部分。每个椭圆镜M1至M6具有记为ai的半长轴(i包括在1至N的范围内，其中N为椭圆镜的数量)。N是大于或等于2、优选地大于或等于3的自然数整数。
每个椭圆镜M1至M6有利地具有对于任何入射角度的，对于光线2的大于或等于75％的反射系数。对于任何入射角度，所述反射系数有利地大于或等于80％，优选地大于或等于85％，更优选地大于或等于90％。有利地，对于小于45°的任何入射角度，对于光线2的反射系数大于或等于95％，优选地大于或等于98％。“反射系数”指对于给定波长的并考虑到当光源S是热源时的算术平均的“s”和“p”偏振的，对于包括在0°(正交入射)至90°(平入射)的范围内的入射角度的强度反射系数。入射角度是光线2的传播方向与对应的椭圆镜的反射表面的法线之间的角度。
椭圆镜M1至M6有利地这样地连续设置以使得连续的半长轴形成单调序列。该单调序列有利地是严格递增的。该单调序列有利地是几何序列。由此，连续的半长轴满足：
an+1＝qan
其中q是几何序列的公比，n是包括在1至(N-1)的范围内的自然数整数。
该几何序列有利地具有满足以下公式的记为q的公比：
q＝G log(G)
其中G是常数，G有利地与P0/ε成正比，优选地大约是P0/ε，其中：
-P0是光源S发出的光线的强度；
-ε是检测器D的噪音。
由于椭圆镜M1至M6组共享第一和第二共用焦点F1、F2，对应的椭圆形的中心与焦点之间的距离(记为c)是常数。椭圆镜M1至M6组的半短轴(记为bi，i包括在1至N的范围内)满足以下关系：
如图1和2所示，椭圆镜M1至M6有利地这样地从第一共用焦点F1向着第二共用焦点F2连续地设置以使得该几何序列是严格递增的。
在图3和4中，椭圆镜M1至M6的设置不是最优的，这是因为当几何序列的连续的元素从第一共用焦点F1向着第二共用焦点F2减小时出现遮挡光线2的区域ZM。
在图5中，椭圆镜M1至M6这样地从第一共用焦点F1向着第二共用焦点F2连续地设置以使得几何序列是严格递减的。由于对光线2的遮挡，该设置在光通量损失方面最不利。
椭圆镜M1至M6这样地连续地设置以形成接合部，每个接合部有利地沿着经过第一共用焦点F1的轴线A1至A5延伸。
第一和第二共用焦点F1、F2限定直线，每个接合部的延伸轴线A1至A5都与该直线形成从第一共用焦点F1朝向第二共用焦点F2的记为θi的角度，该角度有利地满足以下公式：
其中：
-i是第i个两个连续椭圆镜M1至M6之间的接合部；
-N是椭圆镜M1至M6的数量。
实施例
在图6所示的例子中，椭圆镜组包括5个椭圆镜M1至M5(N＝5)。椭圆镜M1至M5这样地从第一共用焦点F1向着第二共用焦点F2连续地设置以使得连续的半长轴形成满足以下公式的严格递增的几何序列：
an+1＝qan
其中：
-n是包括在1至N-1的范围内的自然数整数，即包括在1至4的范围内的自然数整数；
-椭圆镜M1的半长轴满足：a1＝50μm；
-q是该几何序列的公比，满足：q＝G log(G)，其中G＝2。
已经用等于4.5μm的光线2的波长(记为λ)实现FDTD(英文为“Finite DifferenceTime Domain”，时域有限差分)仿真。光腔1浸没在代表气体的虚拟媒介中，该虚拟媒介的折射系数的实部等于1，其折射系数的记为kgaz的虚部满足：
其中：
-α是气体对光线2的所考虑的波长的吸收系数；
-C是光腔1中的气体浓度。
如图7所示，已经在具有同等紧凑性(即具有现有技术的椭圆形内接在其中的相同的矩形表面)的现有技术的光腔(CAV1)与根据本发明的光腔1(CAV2)之间比较了光源S发出并被检测器D接收的光信号的强度衰减。FDTD仿真证实根据本发明的光腔1：
-对于高气体浓度(高kgaz)，更不吸收饱和；
-对于低气体浓度(低kgaz)，具有可比拟的敏感度，敏感度与曲线在原点处的斜率相关。
由此，相对于现有技术，在同等的紧凑性下，根据本发明的光腔1准许量程[Cmin,Cmax]区间更大。
波引导件
光腔1有利地包括适于反射光线2并设置在椭圆镜组M1至M6两侧以形成波引导件的相对的两个反射端部(在图中不可见)。两个反射端部沿着光腔1的厚度的方向Z引导光线2。椭圆镜组M1、M2、M3连接两个反射端部。
每个反射端部包括对于任何入射角度，对于光线2的反射系数大于或等于80％、优选地大于或等于85％、更优选地大于或等于90％的反射表面。有利地，对于小于45°的任何入射角度，对于光线2的反射系数大于或等于95％，优选地大于或等于98％。“反射系数”指对于给定波长并考虑到当光源S是热源时的算术平均的“s”和“p”偏振的，对于包括在0°(正交入射)至90°(平入射)的范围内的入射角度的强度反射系数。入射角度是光线2的传播方向与对应的反射端部的反射表面的法线之间的角度。每个反射端部的反射表面优选地是平坦的。反射端部的平坦的反射表面有利地是平行的。
每个反射端部的反射表面优选地由金属材料制成。该金属材料优选地从包括金、银、铝和铜的集合中选择。每个反射端部的反射表面有利地覆有针对金属材料腐蚀的保护层。该保护层有利地由从包括SiO2、SiN、Si3N4、DLC(英文Diamond-like carbon的缩写)无定形碳、聚四氟乙烯(PTFE)、Pt、TiN的集合中选择的材料制成。
两个反射端部优选地每个都实现为呈板的形式。板有利地设有成型为当使得板相互接触和固定时接收光源S和检测器D的开口。两个反射端部有利地形成平坦的镜子。
所述光腔的制造
根据本发明的光腔1的第一制造方法包括以下步骤：
a)设置材料的第一和第二基片，该材料优选地是半导体，更优选地是硅；
b)挖空第一和第二基片每个以形成底部并保持表面部分；
c)这样地组装第一和第二基片以使得：
-在步骤b)时保持的表面部分形成椭圆镜组M1至M6；
-底部形成光腔1的相对的反射端部。
步骤b)有利地通过深反应离子蚀刻来实施。步骤b)优选地包括这样的预先步骤：该预先步骤在于将感光性树脂沉积到第一和第二基片的表面。然后，可通过光刻和蚀刻步骤来实现挖空。步骤b)有利地这样地实施以使得所实现的挖空允许形成平坦的底部。在步骤b)时挖空两个基片而不是单个基片，允许增大在步骤c)时形成的光腔1的厚度，以减少反射光学损失。
反射端部的反射表面有利地通过在第一和第二基片的底部上沉积金属材料来形成，该沉积优选地通过阴极溅射来实施。金属材料的沉积也可通过真空蒸发或电解来实施。金属材料的沉积是在步骤c)之前实施的。
椭圆镜M1至M6的反射表面有利地通过在表面部分的侧边缘上沉积金属材料来形成，该沉积优选地通过阴极溅射来实施。金属材料的沉积也可通过真空蒸发或电解来实施。金属材料的沉积是在步骤c)之前实施的。
由此，在步骤b)时实现的第一和第二基片的挖空允许获得两个半腔。在步骤c)时通过组装第一和第二基片以组合两个半腔来形成光腔1。步骤c)可通过共晶密封类型的胶合来实施。例如通过反应离子蚀刻而在半导体材料的基片中形成挖空部是成本不高且可行的解决方案，这是因为所获得的表面部分相对于第一和第二基片的法线的倾斜度通常约为1°至2°。
根据本发明的光腔1的第二制造方法包括以下步骤：
a)设置分别包括第一和第二零件模腔的第一和第二模具，其中所述第一和第二零件每个包括其上有表面部分的基部；
b)在第一和第二模具中注射塑料材料以获得第一和第二零件；
c)这样地组装第一和第二零件以使得：
-表面部分形成椭圆镜组M1至M6；
-基部形成光腔1的相对的反射端部。
步骤a)优选地这样地实施以使得第一和第二模具每个包括固定部分和可动部分。步骤b)优选地用注射压机来实施。
反射端部的反射表面有利地通过在第一和第二基片的基部上沉积金属材料来形成，该沉积优选地通过阴极溅射来实施。金属材料的沉积也可通过真空蒸发或电解来实施。金属材料的沉积是在步骤c)之前实施的。
椭圆镜M1至M6的反射表面有利地通过在表面部分的侧表面上沉积金属材料来形成，该沉积优选地通过阴极溅射来实施。金属材料的沉积也可通过真空蒸发或电解来实施。金属材料的沉积是在步骤c)之前实施的。
由此，在步骤c)时通过组装第一和第二零件以组合每个都由对应的基部和表面部分限定的两个半腔来形成光腔1。塑料注射是成本不高且可行的解决方案，这是因为形状缺陷不妨碍光源S正确地在检测器D上成像。
传感器
本发明的一个主题在于一种光谱传感器10，其包括：
-符合本发明的光腔1；
-设置在第一共用焦点F1处的用于发出光线2的光源S；
-设置在第二共用焦点F2处的用于接收从椭圆镜M1至M6射出的光线2的检测器D。
光谱传感器10可以是用于检测例如气体的流体的红外传感器(例如非分散式的)。作为非限制性例子，该气体可从包括一氧化碳、二氧化碳、至少一种碳氢化合物、氢氯氟烃、氯氟烃、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、臭氧的集合中选择。该气体也可从在包括在0.78μm至12μm的范围内的吸收谱带中具有吸收性的以下气体中选择：
-HF、HCl、SO3、HBr、H2S、COS、C2H6、C3H8、C4H10；
-COCl2、BF3、CH4、HNO3、挥发性有机化合物(例如：C6H6、CH3COCH3)、B2H6、CO、CS2、HCN、WF6、N2O、NH3；
-AsH3、多环芳烃、苯、甲苯、二甲苯的三种异构体、C2H4O、BCl3。
光谱传感器10也可是颗粒传感器或生物传感器。
在颗粒传感器的情况下，光源S优选地发出可见光。光源S可以是LED类型的。运作原理是如下的。颗粒生成在光腔1中以随机角度发散的波，由于尤其是被椭圆镜M1至M6相继吸收，这些波直到检测器D才重新聚焦。由检测器D测得的该传输损失显示出颗粒的类型(指数、尺寸)和浓度，这是因为颗粒一般不具有内在吸收性。
光源
作为非限制性例子，光源S可以是热源或量子级联激光器。光源S可以是红外源。光源S有利地包括例如丝线类型的元件，在该元件中使得电流流通以使得该元件加热并发出红外线。该元件具有满足以下公式的记为e的沿着光腔1的厚度的维度：
100μm≤e≤E≤1.5mm，更优选地：250μm≤e≤E≤1200μm
其中E是光腔1的厚度。
该元件优选地具有盘的形状，该盘具有圆形表面，直径为250μm(对应于维度e)。将光源S的轴线定义为该圆形表面的法线。作为非限制性例子，盘可具有沿着光源S的轴线的为400nm的厚度。光源S的图像(即呈盘形的元件)是宽度为250μm且高度为600μm(高度对应于沿着光腔1的厚度的方向Z)的矩形。
检测器
检测器D可以是红外检测器。红外检测器可以是例如红外探测器或高温计。红外检测器可具有对红外线敏感的表面。作为非限制性例子，敏感表面可具有边长为600μm的方形的形状。当光源S是热源时，检测器D优选地配备有带通类型的光学滤波器，其可能地定中心在待检测的气体的吸收谱带上。检测器D有利地沿着Z在光腔1的整个厚度上延伸以接收最大量的光线，椭圆镜M1至M6的第一和第二共用焦点F1、F2的共轭沿着Z是不完美的。
在带有发出可见光的光源S的颗粒传感器类型的光谱传感器10的情况下，检测器D有利地是基于硅的光电二极管。
本发明不限于所说明的实施方式。本领域技术人员能够考虑其在技术上可行的组合和用同等方式来代替这些实施方式。
Claims (8)
1.一种光腔(1)，其包括：
一组旨在接收光源(S)发出的光线(2)的椭圆镜(M1至M6)，从所述椭圆镜(M1至M6)射出的光线(2)旨在由检测器(D)接收；
由该组椭圆镜(M1至M6)共享的第一共用焦点(F1)和第二共用焦点(F2)，所述光源(S)旨在设置在所述第一共用焦点(F1)处，所述检测器(D)旨在设置在所述第二共用焦点(F2)处；
外廓部，其包括由连续地设置的该组椭圆镜(M1至M6)形成的一部分，
所述光腔的特征在于，所述椭圆镜(M1至M6)这样地连续地设置以形成接合部，所述接合部中的每个沿着经过所述第一共用焦点(F1)的轴线(A1至A5)延伸。
2.如权利要求1所述的光腔(1)，其中，所述椭圆镜(M1至M6)中的每个都具有半长轴(a1至a6)；并且其中，所述椭圆镜(M1至M6)这样地连续地设置以使得连续的所述半长轴(a1至a6)形成单调序列。
3.如权利要求2所述的光腔(1)，其中，所述椭圆镜(M1至M6)这样地从所述第一共用焦点(F1)向着所述第二共用焦点(F2)连续地设置以使得所述单调序列是严格递增的。
4.如权利要求2或3所述的光腔(1)，其中，所述单调序列是几何序列。
5.如权利要求4所述的光腔(1)，其中，所述几何序列具有记为q的满足以下公式的公比：
q＝G log(G)
其中G是常数。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光腔(1)，其中，所述第一和第二共用焦点(F1、F2)限定直线，所述接合部中的每个的延伸轴线(A1至A5)与该直线形成记为θi的从所述第一共用焦点(F1)朝向第二共用焦点(F2)的角度，该角度满足以下公式：
其中：
i是第i个两个连续椭圆镜(M1至M6)之间的所述接合部；
N是所述椭圆镜(M1至M6)的数量。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光腔(1)，该光腔包括适于反射所述光线(2)并布置在该组椭圆镜(M1至M6)两侧以形成波引导件的相对的两个反射端部。
8.一种光谱传感器(10)，其包括：
如权利要求1至7中任一项所述的光腔(1)；
设置在所述第一共用焦点(F1)处的用于发出光线(2)的光源(S)；
设置在所述第二共用焦点(F2)处的用于接收从所述椭圆镜(M1至M6)射出的光线(2)的检测器(D)。
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