CN110702626B - 提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置及光声光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置及光声光谱仪，所述装置包括：棒状辐射光源；集光单元，包括集光镜，在所述集光镜上设置面型为自由曲面的集光作用面，且在集光作用面上设置高反射金属膜，所述集光作用面外罩于所述棒状辐射光源，用于收集并反射所述棒状辐射光源辐射于全空间4π立体角内的光线；聚光单元，所述聚光单元接收所述集光单元反射的光束；包括若干聚光镜，所述聚光镜包括聚光作用面，所述聚光作用面相对入射光束离轴设置；所述聚光作用面的面型为自由曲面，且在聚光作用面上设置高反射金属膜。本发明利用自由曲面对辐射强度不均匀的棒状辐射光源进行高效聚光整形以提升聚焦功率并降低光声池侧壁噪声。

Description

提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置及光声光谱仪

技术领域

本发明涉及光声光谱仪技术领域，尤其涉及一种提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置及光声光谱仪。

背景技术

光的散射与反射一直是困扰传统光谱技术的瓶颈，对于光谱仪器来说，探测样品特性靠的是透射光，这就要求样品透光。光声光谱仪通过光声效应把探测用的光信号转化为声信号，大大扩展了可探测的物体种类范围和精度。广泛利用于强散射、非透明、微量样品的检测，例如生物组织、活体、浓度十亿分之一至万亿分之一的微量气体，填补了传统光谱学检测的空白。这就对光声光谱仪的光源提出了更苛刻的要求，光源的质量严重影响光声转化过程的信噪比，与系统的探测范围与灵敏度戚戚相关。

光声光谱仪的辐射光源一般可分为普通光源和激光光源两种。激光光源的单色性既是优点，同样也是缺点。相比激光的单一波长，普通光源波长可变范围宽，对测量样品有很好的宽容度，对同一样品也可获得更多的信息。普通光源体积小、价格便宜、结构简单、稳定性好。然而，普通光源存在方向性差、光功率密度低、难以高效聚焦等问题；同时，商用辐射光源外形不规则，在聚焦过程的同时也带来了严重的杂散光。一方面，需要提高系统收集效率以满足光功率要求；另一方面，高收集效率同时会增强杂散光，使噪声淹没信号，影响光声转化系统的正常工作。

在光声光谱仪辐射光源收集与聚焦系统的光学设计上，结合辐射光源的自身特性与光声池的参数结构，限制特定区域内的光功率，改善光线分布情况，从能量传输角度设计优化系统。

在收集与聚焦系统中，基于常见的棒状辐射光源，利用集光与聚光镜组，收集辐射于全空间4π立体角内的辐射光线，透过反射镜组高效的输出进光声光谱仪的光声池中特定区域内，以满足特定区域的功率需求，实现光声转换。棒状辐射光源的辐射强度不均匀，利用传统抛物面或椭球面难以实现高效聚光。在光声光谱仪中，伴随而来的杂散光就能把信号淹没。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种同时提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现本发明的目的，作为本发明的一个方面，提供了一种提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置，包括：

棒状辐射光源；

集光单元，包括集光镜，在所述集光镜上设置面型为自由曲面的集光作用面，且在集光作用面上设置高反射金属膜，所述集光作用面外罩于所述棒状辐射光源，用于收集并反射所述棒状辐射光源辐射于全空间4π立体角内的光线；

聚光单元，所述聚光单元接收所述集光单元反射的光束；所述聚光单元包括若干聚光镜，所述聚光镜包括聚光作用面，所述聚光作用面相对入射光束离轴设置；所述聚光作用面的面型为自由曲面，且在聚光作用面上设置高反射金属膜；其中，通过所述聚光单元反射聚光形成聚焦功率的柱形光束。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种光声光谱仪，所述光声光谱仪包括：

如上述的提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置；

光声池，所述光声池位于所述聚光单元的焦平面处。

从上述技术方案可以看出，本发明相对于现有技术至少具有以下有益效果其中之一或者其中一部分：

本发明针对棒状辐射光源的特点，通过自由曲面，集成集光镜和聚光镜，利用反射式自由曲面的集光镜对非点光源进行光束收集提升聚焦功率，并利用反射式离轴自由曲面的聚光镜对光束进行整形，减弱杂散光，提升光束质量，并缩小体积；设计并优化棒状辐射光源的反射式自由曲面收集整形聚焦光学系统，用于提升光声光谱仪光声池中心处棒状辐射光源聚焦功率并降低光声池侧壁的噪声，提升光声转换系统的信噪比，为扩展测量范围，增加测量精度提供了可靠保障。

此外，整体统一的设计让光学系统十分紧凑，达到了小型化、轻量化、简易化、集成化的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的光路结构示意图；

图2是本发明实施例1的光声光谱仪示意图；

图3是本发明实施例2的光声光谱仪示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

110-棒状辐射光源系统；111-光源固定部分；112-光源过渡部分；113-光源辐射部分；020-反射式自由曲面集光镜系统；120-反射式自由曲面集光镜；121-安装通孔；122-过渡通孔；123-自由曲面集光镜反射面；124-固定螺纹孔；030-反射式离轴自由曲面聚光镜系统；130-反射式离轴自由曲面聚光镜；131-第一反射式离轴自由曲面聚光镜；132-第二反射式离轴自由曲面聚光镜；140-消杂光光阑；150-光声池系统。

具体实施方式

利用光声光谱仪进行探测，针对光源，现有技术存在诸多问题，主要包括以下几个方面：

1、传统商用辐射光源的收集镜多为标准抛物面或椭球面，适用于点光源能量的收集；对于常用的商用辐射光源，如弧光灯、卤素灯泡或是热辐射红外光源，并非可以理想化为点光源，而是有着棒状外形，加之不均匀的辐射，就会产生标准抛物面或椭球面等传统收集镜无法对于棒状辐射源实现高效收集的问题，因此传统收集镜的聚光效果就与理论极限相差甚远。

2、普通光源辐射的光束质量差，光束传播过程中带来的杂散光会给探测系统带来影响。杂散光会在光声池侧壁产生噪声，影响甚至淹没对于探测光信号的收集与转换过程；为了消除杂散光，需要对光束整形，以达到光声光谱仪探测的要求；现有的光束整形采用透镜，但是透镜的引入会带来光能量的吸收损耗，影响辐射光源的聚焦功率。

为了解决上述问题，本发明采用反射镜进行光束整形，相对折射透镜而言，反射镜不但吸收损耗低，而且没有色散带来的像差，同时反射镜折叠了光路，缩小了光学系统的体积。

因此，本发明针对棒状辐射光源辐射强度低且不均匀以及通过传统光学元件在光声池内聚焦后侧壁噪声淹没信号的问题，开展棒状辐射光源的反射式离轴自由曲面收集整形聚焦光学系统的综合设计和优化，提出一种提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置，该装置在提升棒状辐射光源辐射强度均匀性的同时，降低了在光声池侧壁的无效辐射的功率，提升了信噪比，最终实现辐射光源聚焦功率的提升与侧壁噪声的降低。

作为本发明的一个方面，提供了一种提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置，包括：

棒状辐射光源；

集光单元，包括集光镜，在集光镜上设置面型为自由曲面的集光作用面，且在集光作用面上设置高反射金属膜，集光作用面外罩于棒状辐射光源，用于收集并反射棒状辐射光源辐射于全空间4π立体角内的光线；

聚光单元，聚光单元接收集光单元反射的光束；聚光单元包括若干聚光镜，聚光镜包括聚光作用面，聚光作用面相对入射光束离轴设置；聚光作用面的面型为自由曲面，且在聚光作用面上设置高反射金属膜；其中，通过聚光单元反射聚光形成聚焦功率的柱形光束。

其中，本发明利用集光作用面为自由曲面的面型，并在集光作用面上设置高反射金属膜的设计，实现对棒状辐射光源兼具集光和整形的作用，以提升光能利用率和光束质量；本发明利用聚光单元的聚光作用面相对入射光束离轴设置，并且聚光作用面的面型为自由曲面，且在聚光作用面上设置高反射金属膜的设计，同时兼具整形和聚光的作用，以达到缩小系统体积质量并提升光束质量的效果；形成聚焦功率的柱形光束。整个装置作为光源应用到光声光谱仪中，提高光声光谱仪的探测精度。

在本发明的一些实施例中，提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置还包括消杂光光阑，消杂光光阑设置于聚光单元反射光束上，用于过滤聚光单元反射的聚焦功率的柱形光束中的杂散光。

其中，一方面，棒状辐射光源经集光单元和聚光单元处理后形成聚焦功率的柱形光束，对光束进行了整形，提升了光束质量；另一方面，形成聚焦功率的柱形光束再经过消杂光光阑处理后，过滤掉大角度杂散光，降低了在光声池侧壁的无效辐射的功率。消杂光光阑的添加，起到双重减弱杂散光的效果。

在本发明的一些实施例中，棒状辐射光源呈棒状发光结构，为热辐射光源，包括黑体或者碳化硅棒。

在本发明的一些实施例中，收集作用面的面型为二阶非球面。

在本发明的一些实施例中，聚光作用面的面型为二阶扩展多项式表面。

其中，收集作用面的面型和聚光作用面的面型均通过Zemax光学仿真软件优化获得，目标使得聚光单元的焦平面处光声光谱仪的等效面内功率达到最大，等效面外侧环形区域内功率趋于零，进而提升能量收集效率并提升光束质量。在Zemax非序列模式下进行参数设置，光源根据实际光源特性选用圆柱体光源。通过反复优化调整，并考虑实际加工可行性，集光作用面的面型采用二阶非球面，聚光作用面的面型采用二阶扩展多项式表面，对棒状辐射光源的辐射能量进行集光整形聚光。

在本发明的一些实施例中，聚光单元，包括多个聚光镜，多个聚光镜的聚光作用面分别依次按照光束反射顺序离轴设置。

在本发明的一些实施例中，聚光单元，包括1个聚光镜，聚光镜的聚光作用面相对集光作用面反射的光束离轴设置。

在本发明的一些实施例中，棒状辐射光源背离集光作用面的一端连接固定区，固定区用于与集光镜进行固定连接；

其中，集光单元还包括：

安装部，安装部与集光镜的集光作用面背对一侧相连；

安装孔，设置于安装部上且贯穿集光镜，固定区置于安装孔内且与安装部固定连接；

安装部上设置固定螺纹孔，固定螺纹孔与安装孔相垂直连通，固定螺纹孔内螺接有一带外螺纹的固定件，用于固定固定区；

其中，棒状光源和固定区之间设置有过渡区，过渡区的直径大于固定区的直径，用于调节棒状辐射光源与集光镜的相对位置；

安装孔包括变径的安装通孔和过渡通孔，安装通孔和过渡通孔分别适配固定区和过渡区的安装。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种光声光谱仪，光声光谱仪包括：

如上述的提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置；

光声池，光声池位于聚光单元的焦平面处。

在本发明的一些实施例中，消杂光光阑的光束口径小于等于光声池口径。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，其中图1为本发明的光路结构示意图。本发明具体提出一种同时提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置。由棒状辐射光源系统110、反射式自由曲面集光镜系统020(即集光单元)、反射式离轴自由曲面聚光镜系统030(即聚光单元)、消杂光光阑140、光声池系统150(即光声池)组成。由棒状辐射光源系统110发出的光束经过反射式自由曲面集光镜系统020和反射式离轴自由曲面聚光镜系统030收集整形聚光后，经过消杂光光阑140过滤掉辐射到光声池侧壁上的大角度杂散光，光线最后穿进光声池系统150中；

反射式自由曲面集光镜系统020与反射式离轴自由曲面聚光镜系统030的反射表面面型通过Zemax光学仿真软件在非序列模式下优化获得，利用自由曲面离轴反射的形式，增大了整个光学系统的焦距，提升光束质量的同时，缩小体积，并使光声池系统050特定区域内功率达到最大，进而提升能量收集效率；

消杂光光阑140用于限制进入光声池的光束口径，口径大小与光声池侧壁噪声，即系统信噪比要求有关；

光声池系统150位于整个光学系统的焦平面处，其等效有效面为光声池中心截面。

如图2所示，其中图2为实施例1的光声光谱仪示意图(反射式离轴自由曲面聚光镜系统030采用单个反射式离轴自由曲面聚光镜)。其中光声光谱仪包括：棒状辐射光源系统110、反射式自由曲面集光镜120、反射式离轴自由曲面聚光镜130、消杂光光阑140、光声池系统150。其中，棒状辐射光源系统110由光源固定部分111(即固定区)、光源过渡部分112(即过渡区)、光源辐射部分113(即棒状辐射光源)组成。反射式自由曲面集光镜120采用铝制衬底材料，通过在截面直径为55mm的圆柱体上加工获得安装通孔121、过渡通孔122、自由曲面集光镜反射面123、固定螺纹孔124。其中，安装通孔121与光源固定部分111尺寸匹配，通过固定螺纹孔124将二者相对位置固定；过渡通孔122与光源过渡部分112尺寸匹配。

光源辐射部分113为热辐射棒状光源，尺寸为

辐射总光功率24W，主要辐射波长为3-14μm；

反射式自由曲面集光镜120的安装部采用两部分通孔，安装通孔121部分尺寸为

过渡通孔122部分尺寸为

目的是为了在有效固定的前提下保证棒状辐射源在反射式自由曲面集光镜120中的相位位置可调以实现能量收集的最高效率。

在有效固定的同时尽量增大反射式自由曲面集光镜120的自由曲面集光镜反射面123的反射面积，即增加收集面积，提升能量收集效率。自由曲面集光镜反射面123的口径为

反射式自由曲面集光镜120的自由曲面集光镜反射面123表面镀制高反射金属膜。目的是为了减少透射和吸收损耗，增大表面反光率，提升能量收集效率。

反射式离轴自由曲面聚光镜130采用铝制衬底材料，表面镀制高反射金属膜。目的是为了减少透射和吸收损耗，增大表面反光率，提升能量收集效率。

反射式离轴自由曲面聚光镜130，目的是为了折叠光路以减小系统体积质量，增加整个光学系统的焦距以提升光束质量。

在本发明实施例1中，反射式离轴自由曲面聚光镜130的个数选取1个，即为单反射式离轴自由曲面聚光镜镜片设计。

实施例2

如图3所示，其中图3为本实施例2的光声光谱仪示意图(反射式离轴自由曲面聚光镜系统030采用反射式离轴自由曲面聚光镜组)，本实施例2的光声光谱仪采用实施例1中的光学元件，其区别仅在于，反射式离轴自由曲面聚光镜系统030将单个反射式离轴自由曲面聚光镜130替换为反射式离轴自由曲面聚光镜组，即反射式离轴自由曲面聚光镜组依次包括第一反射式离轴自由曲面聚光镜131、第二反射式离轴自由曲面聚光镜132……，反射式离轴自由曲面聚光镜组的反射面按照光路中的顺序分别为第一反射式离轴自由曲面聚光镜131、第二反射式离轴自由曲面聚光镜132……离轴设置。

其中，实施例1中反射式离轴自由曲面聚光镜系统030若采用单镜片设计，反射式离轴自由曲面聚光镜130表面口径为

若采用多镜片设计口径可更大，辐射收集能力更强。

经优化后，反射式离轴自由曲面聚光镜系统030若采用单镜片设计，理论上光声池系统150等效面内聚焦功率可达棒状辐射光源有效功率的20％以上，达到了同类设计指标的同时，辐射到光声池侧壁的功率降低至聚焦功率的1％，实现了棒状辐射光源的聚焦功率提升和侧壁噪声降低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光声光谱仪，其特征在于，所述光声光谱仪包括：

提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置；及

光声池，所述光声池位于聚光单元的焦平面处；

其中，所述提升棒状光源聚焦功率并减弱杂散光的装置包括：

棒状辐射光源；

集光单元，包括集光镜，在所述集光镜上设置面型为二阶非球面的集光作用面，且在集光作用面上设置高反射金属膜，所述集光作用面外罩于所述棒状辐射光源，用于收集并反射所述棒状辐射光源辐射于全空间4π立体角内的光线，其中，所述棒状辐射光源背离所述集光作用面的一端连接固定区，所述固定区用于与所述集光镜进行固定连接；

聚光单元，所述聚光单元接收所述集光单元反射的光束；所述聚光单元包括若干聚光镜，所述聚光镜包括聚光作用面，所述聚光作用面相对入射光束离轴设置；所述聚光作用面的面型为二阶扩展多项式表面，且在聚光作用面上设置高反射金属膜；其中，通过所述聚光单元反射聚光形成聚焦功率的柱形光束；

消杂光光阑，所述消杂光光阑设置于所述聚光单元反射光束上，用于过滤所述聚光单元反射的聚焦功率的柱形光束中的杂散光；

其中，所述集光单元还包括：

安装部，所述安装部与所述集光镜的集光作用面背对一侧相连；

安装孔，设置于所述安装部上且贯穿所述集光镜，所述固定区置于所述安装孔内且与安装部固定连接。

2.根据权利要求1所述的光声光谱仪，其特征在于，所述消杂光光阑的光束口径小于等于光声池口径。

3.根据权利要求1所述的光声光谱仪，其特征在于，所述棒状辐射光源呈棒状发光结构，为热辐射光源，包括黑体或者碳化硅棒。

4.根据权利要求1所述的光声光谱仪，其特征在于，所述聚光单元，包括多个聚光镜，多个所述聚光镜的聚光作用面分别依次按照光束反射顺序离轴设置。

5.根据权利要求1所述的光声光谱仪，其特征在于，所述聚光单元，包括1个聚光镜，所述聚光镜的聚光作用面相对集光作用面反射的光束离轴设置。

6.根据权利要求1所述的光声光谱仪，其特征在于，

所述安装部上设置固定螺纹孔，所述固定螺纹孔与所述安装孔相垂直连通，所述固定螺纹孔内螺接有一带外螺纹的固定件，用于固定所述固定区；

其中，所述棒状光源和固定区之间设置有过渡区，所述过渡区的直径大于所述固定区的直径，用于调节棒状辐射光源与所述集光镜的相对位置；

所述安装孔包括变径的安装通孔和过渡通孔，所述安装通孔和过渡通孔分别适配固定区和过渡区的安装。

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