CN111795921B - 粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，包括半导体激光器，在半导体激光器光束出射方向上依次设有第一非球面镜、微透镜阵列散射片、第二非球面镜、圆孔光阑、柱面镜及矩形孔光阑；垂直于光束出射方向设有进气嘴和出气嘴，采样气流从传感器腔体进气嘴流入，从出气嘴流出，采样气流与光束交叉重叠区域形成光敏区。本发明的光学照明系统通过对光束的锐化和匀化，使光敏区的光束分布均匀及变窄，通过组合光阑降低散射光收集腔内的光学本底噪声，使其具有小体积、易于调节、高粒径测量准确度、高分辨率、高信噪比和高灵敏度的特点。

Description

粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统
技术领域
本发明属于接近度检测设备领域，特别是一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统。
背景技术
洁净室环境广泛应用于半导体、电子、生物医药工程、精密加工等行业，环境中的颗粒物浓度对产品质量有关键的影响作用。光学粒子计数器是用于测量洁净环境空气中颗粒物的粒径及颗粒数浓度的重要仪器，其测量原理是基于Mie散射理论，当单个颗粒随气流进入光敏区被光束照射产生散射光，散射光强度与颗粒的粒径相关，通过搜集散射光并通过光电探测器转为电信号，即可实现对颗粒粒径的测量和计数。国内粒子计数器的研究晚于国外数十年，因此计数器的各项性能落后于国外同类产品。
我们此前设计了种大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器(中国专利CN201010107797.7)该传感器照明系统采用大功率的半导体激光器，通过单个非球面透镜将激光束汇聚在光敏区，采样气流中颗粒被照射产生的散射光被光电二极管接收。但上述专利存在以下缺点：虽然用光电二极管代替光电倍增管减小了体积，但单非球面透镜系统长度依旧较长不利于传感器小型化，由于大功率半导体激光器输出激光束为多模，经透镜汇聚后在光敏区的光束波前强度分布不均，气流穿越的光斑尺寸较宽，导致粒径分辨率降低和测量误差的增大，并且激光器输出光功率的不稳定也会造成粒径测量的准确度有偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，使得粒子计数器的传感器体积更小，并提高粒径准确度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，包括半导体激光器，在半导体激光器光束出射方向上依次设有第一非球面镜、微透镜阵列散射片、第二非球面镜、圆孔光阑、柱面镜及矩形孔光阑；垂直于光束出射方向设有进气嘴和出气嘴，采样气流从传感器腔体进气嘴流入，从出气嘴流出，采样气流与光束交叉重叠区域形成光敏区。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明半导体激光器发出的多模激光束通过第一非球面透镜准直后，由微透镜阵列散射片匀化后激光束波前强度分布更加均匀，提高传感器的粒径分辨率和粒径测量的准确性，消除激光束经单个非球面透镜形成的明暗条纹，特别是垂直于光束和气流方向的光强分布对粒径分辨率影响很大；而后经过第二非球面透镜准直为平行光或准平行光，再由柱面镜压缩汇聚于光敏区，提高光敏区光功率密度，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合圆孔光阑及矩形光阑的结构极大地降低了传感器的光学本底噪声。
附图说明
图1为粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系路和采样气路截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，包括半导体激光器1，在半导体激光器1光束出射方向上依次设有第一非球面镜2、微透镜阵列散射片3、第二非球面镜4、圆孔光阑5、柱面镜6及矩形孔光阑7；垂直于光束出射方向设有进气嘴9和出气嘴10，采样气流从传感器腔体进气嘴9流入，从出气嘴10流出，采样气流与光束交叉重叠区域形成光敏区8。
大功率半导体激光器1发出的多模激光束通过第一非球面透镜2准直后，由微透镜阵列散射片3匀化后激光束波前强度分布更加均匀，消除激光束经第一非球面透镜2形成的明暗条纹，微透镜阵列散射片3单元尺度在50μm以上，经过第二非球面透镜4准直为平行光或准平行光，而后设置圆孔光阑5过滤杂散光允许主光束通过，光阑圆孔的边缘保持尖锐，光阑直径为3.5±0.5mm，再由柱面镜6压缩汇聚于光敏区8，在光敏区与柱面镜6之间设置矩形光阑7，尺寸为4mm*1mm，其1mm宽方向与采样气流同向，用于过滤杂散光降低腔体的光学本底噪声。本发明的照明系统提高了光敏区8光强分布的均匀性和光功率的密度，即提高了传感器的粒径分辨率、信噪比和灵敏度。
采样气路系统的进气嘴9为圆形，内径约3mm，伸入腔体内且离光敏区距离为3～5mm；出气嘴10为圆形不伸入腔体内，内径约6～8mm。圆形气嘴在适当流速情况下，气流具有稳定的流动特性，有利于颗粒粒径的测量。
本发明粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统采用全新的光路设计，传感器长度缩短为原单透镜结构的一半，使用聚苯乙烯标准球形粒子进行标定的结果表明：传感器最小可测粒径为0.3μm，当0.3μm粒子计数效率为50％时，信噪比高于3:1，0.4μm以上标准粒子的计数效率达到100±10％，测量0.4μm标准粒子的分布误差小于3％，测量0.6μm标准粒子的分布误差小于10％，测量0.5μm标准粒子的示值误差小于5％，传感器整体性能优于现有产品(CN201010107797.7中本实验室设计的传感器)和技术。
本发明的光学照明系统通过对光束的锐化和匀化，使光敏区的光束分布均匀及变窄，通过组合光阑降低散射光收集腔内的光学本底噪声，使其具有小体积、易于调节、高粒径测量准确度、高分辨率、高信噪比和高灵敏度的特点。

Claims (5)

1.一种粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，其特征在于，包括半导体激光器（1），在半导体激光器（1）光束出射方向上依次设有第一非球面镜（2）、微透镜阵列散射片（3）、第二非球面镜（4）、圆孔光阑（5）、柱面镜（6）及矩形孔光阑（7）；垂直于光束出射方向设有进气嘴（9）和出气嘴（10），采样气流从传感器腔体进气嘴（9）流入，从出气嘴（10）流出，采样气流与光束交叉重叠区域形成光敏区（8）；所述微透镜阵列散射片（3）单元尺度在50μm以上；
半导体激光器发出的多模激光束通过第一非球面透镜准直后，由微透镜阵列散射片匀化，消除激光束经第一非球面透镜形成的明暗条纹；经过第二非球面透镜准直为平行光或准平行光，而后设置圆孔光阑过滤杂散光允许主光束通过，再由柱面镜压缩汇聚于光敏区；矩形光阑，用于过滤杂散光降低腔体的光学本底噪声。
2.根据权利要求1所述的粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，其特征在于，所述圆孔光阑（5）孔径为3.5±0.5mm。
3.跟据权利要求1所述的粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，其特征在于，矩形孔光阑（7）孔尺寸为长度4mm*宽度1mm，宽度方向与采样气流同向。
4.跟据权利要求1所述的粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，其特征在于，所述进气嘴（9）、出气嘴（10）均为圆形。
5.跟据权利要求1所述的粒子计数器传感器光束匀化和锐化的照明系统，其特征在于，所述进气嘴（9）伸入腔体内且离光敏区（8）距离为3~5mm，所述出气嘴（10）不伸入腔体内。
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