CN109520929B - 一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置 - Google Patents

一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置 Download PDF

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Abstract

一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，涉及光学系统技术领域，它包括接收光学窗口、杂光出口通道、遮光板、视场光阑、反射镜、聚焦透镜、球形滤光腔、光敏表面和杜瓦遮光罩，杜瓦遮光罩呈L型，杜瓦遮光罩一端与杂光出口通道的一端连接，杂光出口通道另一端嵌入接收光学窗口，接收光学窗口与杂光出口通道之间设有遮光板，杂光出口通道出口处设置视场光阑，视场光阑出口处安装反射镜，反射镜下方设有球形滤光腔，反射镜与球形滤光腔之间安装聚焦透镜，球形滤光腔出口处安装光敏表面。本用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置对于在激光检测过程中出现的杂散光干扰问题进行抑制，以提高光学系统的探测精度以及对目标信号的响应能力。

Description

一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置
技术领域：
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置。
背景技术：
随着我国国民经济的迅速发展，水体中油气类物质污染日益严重。不但对水体环境、水生动植物造成污染，甚至对人类也有严重的危害。同时，油气类物质在使用和运输的过程中，会有部分泄漏渗入土壤，土壤中的油气类污染物会随着降水和地下水渗透而严重影响地下水和地表水的质量，更大范围的对人类和社会造成潜在的危害。所以，对水体中油气类污染物的实时监测与准确分析对于及时处理污染事故，保护自然环境和人类社会具有非常重大的现实意义。
目前，常用激光吸收光谱技术用于多组分浓度的在线检测。激光吸收光谱技术是利用激光二极管的波长扫描特性和电流调谐特性，基于激光能量被气体分子选频吸收的原理来检测气体浓度的一种新型气体检测技术，具有灵敏度高、分辨率高、选择性强、响应时间快等优点。如今，激光吸收光谱技术已成为非接触式物质在线检测的重要方法。
杂散光是指光学系统中除正常光线外，传输到探测器光敏表面上的其他非正常光线的辐射能量，以及以非正常路径到达探测器表面的辐射能量。红外成像光学系统中的杂散光会降低像面的信噪比(SNR)，使整个像面的层次减少、清晰度破坏、能量分布混乱，甚至形成杂光斑点，严重时使目标信号完全被杂散光的噪声所湮没。通常抑制杂散光的主要方法是为系统引入杂光抑制结构，通过杂光抑制结构，以达到对目标信号的准确测量。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，它对于在激光检测过程中出现的杂散光干扰问题进行抑制，以提高光学系统的探测精度以及对目标信号的响应能力。
本发明采用的技术方案为：一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，包括接收光学窗口、杂光出口通道、遮光板、视场光阑、反射镜、聚焦透镜、球形滤光腔、光敏表面和杜瓦遮光罩，杜瓦遮光罩呈L型，杜瓦遮光罩一端与杂光出口通道的一端连接，杂光出口通道另一端嵌入接收光学窗口，接收光学窗口与杂光出口通道之间设有遮光板，杂光出口通道出口处设置视场光阑，视场光阑出口处安装反射镜，反射镜下方设有球形滤光腔，反射镜与球形滤光腔之间安装聚焦透镜，球形滤光腔出口处安装光敏表面。
所述的接收光学窗口材料采用熔融石英。
所述的遮光板个数为若干个且小大尺寸不同，遮光板非均匀排列在杂光出口通道中。
所述的反射镜呈倾斜状置于杜瓦遮光罩的弯折处，反射镜表面镀有金属膜。
所述的视场光阑、反射镜、聚焦透镜、球形滤光腔和光敏表面均置于杜瓦遮光罩内。
所述的遮光板的位置判定方法是首先连接A1Q交AI于点B，则BB1为第一块遮光板的位置所在，过B点连接PB交A1I1于点P1，连接P1Q交AI于点C，则CC1为第二块遮光板的位置所在，以此类推，直到P点发出的杂散辐射出射到杜瓦遮光罩外。
所述的球形滤光腔的安装参数通过计算式
Figure GDA0002986241090000031
决定，其中θ为检测光束的边缘光线与光轴的夹角；f为聚焦透镜的焦距；Dl'参数取3mm，并取球型滤光腔的输入孔与Dl'所在平面间距δ为1mm；d为球型滤光腔中心到聚焦透镜的距离。
本发明的有益效果是：本用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置利用球形滤光腔和遮光板等光机组件，在光学测量系统尺寸受限的条件下，有效降低整个光学系统的PST数值，从而达到抑制杂散光的目的；利用积分球原理，在光敏表面和聚焦透镜之间设置球形滤光腔，能够有效削弱光机系统内杂散辐射能量，提高系统抑制杂光能力；杂散辐射抑制结构，可适用于多种光学测量系统，且适用于多波段光学信号测量的杂散辐射抑制；可通过调节遮光板的角度和尺寸属性，进而对系统的杂光抑制能力进行修改，以适应不同条件下的光学测量系统。
附图说明：
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明遮光板结构参数示意图；
图3是本发明杂光出口通道立体图；
图4是本发明球形滤光腔布局结构示意图。
具体实施方式：
参照各图，一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，包括接收光学窗口1、杂光出口通道2、遮光板3、视场光阑4、反射镜5、聚焦透镜6、球形滤光腔7、光敏表面8和杜瓦遮光罩9，杜瓦遮光罩9呈L型，杜瓦遮光罩9一端与杂光出口通道2的一端连接，杂光出口通道2另一端嵌入接收光学窗口1，接收光学窗口1与杂光出口通道2之间设有遮光板3，杂光出口通道2出口处设置视场光阑4，视场光阑4出口处安装反射镜5，反射镜5下方设有球形滤光腔7，反射镜5与球形滤光腔7之间安装聚焦透镜6，球形滤光腔7出口处安装光敏表面8。所述的接收光学窗口1材料采用熔融石英。所述的遮光板3个数为若干个且小大尺寸不同，遮光板3非均匀排列在杂光出口通道2中。所述的反射镜5呈倾斜状置于杜瓦遮光罩9的弯折处，反射镜5表面镀有金属膜。所述的视场光阑4、反射镜5、聚焦透镜6、球形滤光腔7和光敏表面8均置于杜瓦遮光罩9内。所述的遮光板3的位置判定方法是首先连接A1Q交AI于点B，则BB1为第一块遮光板的位置所在，过B点连接PB交A1I1于点P1，连接P1Q交AI于点C，则CC1为第二块遮光板的位置所在，以此类推，直到P点发出的杂散辐射出射到杜瓦遮光罩9外。所述的球形滤光腔的安装参数通过计算式
Figure GDA0002986241090000041
决定，其中θ为检测光束的边缘光线与光轴的夹角；f为聚焦透镜6的焦距；Dl'参数取3mm，并取球型滤光腔的输入孔与Dl'所在平面间距δ为1mm；d为球型滤光腔7中心到聚焦透镜6的距离。
含有油气污染物信息的激光光束经接收光学窗口1进入到杂光出口通道2，入射杂散光在遮光板3内至少经过一次衰减才能进入后续结构，杂光被反射的次数越多，衰减效果越好；孔径光阑4限制了直径过大的杂散光进入后续结构，激光光束经反射镜5发生偏折，减少了偏轴角过大的入射杂散光直接进入光电探测器对接收信号产生影响；聚焦透镜6将分散激光光束进行聚焦，进入球形滤光腔7，根据积分球原理，杂散光在球型滤光腔7内经多次漫反射并被涂层吸收而产生衰减，最终含有待测物信息的激光光束经光敏表面8进入光电探测器，进行后续浓度分析与反演；而杜瓦遮光罩9一般是由光学窗口、外壳和冷屏等组成，不仅能够为光敏表面8提供一个较为稳定的冷环境，而且能够有效降低系统温度，削弱光机结构内部杂散辐射，以达到良好的杂光抑制及消热效果，杜瓦遮光罩9采用尺寸内径为5mm最佳。
接收光学窗口1选用材料为熔融石英，尺寸最佳采用直径为10mm，而设置激光光束光斑直径为4mm，在近红外波段的透过率高达90％以上，同时考虑到检测环境的复杂性，熔融石英的热性能和机械性能均高于相比之下的同等材料，综合考虑，选用熔融石英作为光学系统的接收光学窗口1材料最佳。
杂光出口通道2的尺寸采用内径为12mm，长度为20mm最佳，其中嵌入尺寸大小不同且非均匀排列的遮光板3，使入射到光机系统的杂散光在遮光板内至少经过一次衰减才能进入后续结构，杂光被反射的次数越多，其衰减效果越好，如图2所示为杂光出口通道2内遮光板3分布示意图，光线衰减次数与遮光板3倾斜角度以及高度有关，通过调整遮光板尺寸，即可改变对杂散光的反射次数。
视场光阑4位于杂光出口通道2出口处，视场光阑4尺寸采用孔径为5mm最佳，限制了直径过大的杂散光直接进入后续结构(光敏表面8)对测量结果产生影响。
反射镜5表面镀金属膜，最佳镀银膜，常用的镀膜材料有金膜、银膜和铝膜，对同等波长的反射率，金膜和银膜均高于铝膜，但镀银膜成本要远低于镀金膜，故反射镜表面镀膜为银涂层。反射镜5表面镀银膜不仅提高对激光光线的反射率，同时减少了偏轴角过大的入射杂散光直接进入光电探测器。
球形滤光腔7位于探测器的光敏表面8和聚焦透镜6之间，根据积分球原理，杂散光在球形滤光腔7内部经过多次漫反射并被涂层吸收达以达到衰减的目的，其布局设计如图4所示。其中聚焦透镜6采用尺寸焦距为8.5mm，口径为5mm最佳。
参照图2，在杂光出口通道2中嵌入非均匀排列的若干块遮光板3，入射到光机系统的杂光在遮光板内部至少经过一次衰减才能进入后续结构，杂光被反射的次数越多，衰减效果越好。遮光板3位置的判定基于如下原理，首先连接A1Q交AI于点B，则BB1为第一块遮光板的位置所在，过B点连接PB交A1I1于点P1，连接P1Q交AI于点C，则CC1为第二块遮光板的位置所在，以此类推，直到P点发出的杂散辐射出射到杜瓦遮光罩9的冷屏之外。同时，将遮光板3的角度垂直于杂光出口通道2倾斜60°，以达到良好的杂光抑制效果。
参照图4，为球形滤光腔7在聚焦透镜6与探测器的光敏表面8之间的布局设计，取球形滤光腔7内径为5mm，输入孔径为3mm，输出孔径为1mm。根据积分球原理，杂散光在球形滤光腔7内部进行多次漫反射并被涂层吸收达到衰减的作用，其具体安装参数由下式确定：
Figure GDA0002986241090000071
其中，Dl—激光光束光斑直径；Dr—探测器的光敏表面8直径；De—杜瓦遮光罩9的内径；Ds—球型滤光腔7内径；A1—球型滤光腔7的输入孔径；A2—球型滤光腔7的输出孔径；θ—检测光束的边缘光线与光轴的夹角；f—聚焦透镜6的焦距；为保证有效光路通过球型滤光腔时不被阻挡，取Dl'为3mm，并取球型滤光腔7的输入孔与Dl'所在平面间距δ为1mm；则d为球型滤光腔7中心到聚焦透镜6的距离，通过计算其值为3.13mm。
综上所述，本用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置利用球形滤光腔7和遮光板3等光机组件，在光学测量系统尺寸受限的条件下，有效降低整个光学系统的PST数值，从而达到抑制杂散光的目的；利用积分球原理，在光敏表面8和聚焦透镜6之间设置球形滤光腔，能够有效削弱光机系统内杂散辐射能量，提高系统抑制杂光能力；杂散辐射抑制结构，可适用于多种光学测量系统，且适用于多波段光学信号测量的杂散辐射抑制；可通过调节遮光板3的角度和尺寸属性，进而对系统的杂光抑制能力进行修改，以适应不同条件下的光学测量系统。

Claims (5)

1.一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，其特征在于：包括接收光学窗口(1)、杂光出口通道(2)、遮光板(3)、视场光阑(4)、反射镜(5)、聚焦透镜(6)、球形滤光腔(7)、光敏表面(8)和杜瓦遮光罩(9)，杜瓦遮光罩(9)呈L型，杜瓦遮光罩(9)一端与杂光出口通道(2)的一端连接，杂光出口通道(2)另一端嵌入接收光学窗口(1)，接收光学窗口(1)与杂光出口通道(2)之间设有遮光板(3)，杂光出口通道(2)出口处设置视场光阑(4)，视场光阑(4)出口处安装反射镜(5)，反射镜(5)下方设有球形滤光腔(7)，反射镜(5)与球形滤光腔(7)之间安装聚焦透镜(6)，球形滤光腔(7)出口处安装光敏表面(8)；所述的球形滤光腔(7)设有输入孔径和输出孔径，根据积分球原理，杂散光在球形滤光腔(7)内部进行多次漫反射并被涂层吸收达到衰减的作用，其具体安装参数由下式
Figure FDA0002986241080000011
决定，其中Dl为激光光束光斑直径，θ为检测光束的边缘光线与光轴的夹角，f为聚焦透镜(6)的焦距，Dl'参数取3mm，并取球型滤光腔的输入孔与Dl'所在平面间距δ为1mm，d为球型滤光腔(7)中心到聚焦透镜(6)的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，其特征在于：所述的接收光学窗口(1)材料采用熔融石英。
3.根据权利要求1所述的一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，其特征在于：所述的遮光板(3)个数为若干个且大小尺寸不同，遮光板(3)非均匀排列在杂光出口通道(2)中。
4.根据权利要求1所述的一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，其特征在于：所述的反射镜(5)呈倾斜状置于杜瓦遮光罩(9)的弯折处，反射镜(5)表面镀有金属膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于油气污染物激光检测的杂散光抑制装置，其特征在于：所述的视场光阑(4)、反射镜(5)、聚焦透镜(6)、球形滤光腔(7)和光敏表面(8)均置于杜瓦遮光罩(9)内。
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