CN112903608B - 一种多通道长光程望远镜系统及其应用 - Google Patents

一种多通道长光程望远镜系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，具体公开了一种多通道长光程望远镜系统及其应用，所述多通道长光程望远镜系统包括轴心处开设有通孔的球面主镜，以及设置在所述球面主镜一侧的非球面次镜，还包括多路光源系统，角锥反射镜，红外反射镜，紫外反射镜，分色镜。本发明实施例通过设置多路光源系统，并通过非球面次镜、球面主镜、角锥反射镜、红外反射镜、紫外反射镜与分色镜等结构的配合使用，通过使用反射方式提高紫外光源能量利用率，通过反射折转方式以及分色镜方式实现了两个通道光同步进行测量的目的，两个通道光路互不干扰测量，解决了现有用于尾气遥感监测的望远镜系统存在只能单独对一种气体进行测量的问题，具有广阔的市场前景。

Description

一种多通道长光程望远镜系统及其应用
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体是一种多通道长光程望远镜系统及其应用。
背景技术
随着IMO（国际海事组织）废气清洗系统导则标准的实施，越来越多的船舶需要安装二氧化硫检测设备，以检测船舶排放的废气（尾气）。在汽车领域，也需要对汽车排放的尾气进行检测，以达到环保要求。
通常，船舶或汽车等排放的废气主要有SOx（硫氧化物）、NOx（氮氧化物）、VOC（挥发性有机化合物）、COx（碳氧化物）等，其中SOx、NOx对人类和环境的影响最大。
目前市场上，在进行机械设备的废气排放检测中，通常要用到遥感监测手段，具体是通过望远镜系统中的光源向道路对面的光学反光镜发送紫外光和红外光，光学反光镜会将其反射到检测器中，由于反射过程中，产生的废气会吸收光线，从而改变透射光的强度，从而通过对检测器中光强的变化进行监测排放的SOx浓度、NOx浓度等。
但是上述的技术方案在实际使用时还存在以下不足：由于船舶或汽车排放的尾气种类繁多，并且他们的吸收波段也不相同，例如SOx在紫外波段有吸收峰，NOx在紫外波段与红外波段都有吸收峰，因此现有技术针对每一种气体都需要一个单独的装置来测量，一个装置不能同时测量多种气体，可见现有测量技术中检测船舶尾气需要的成本较大。并且船舶遥感光程较长，目前市场欠缺长光程多通道船舶遥测检测设备。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多通道长光程望远镜系统，以解决上述背景技术中提出的现有用于尾气遥感监测的望远镜系统存在只能单独对一种气体进行测量的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种多通道长光程望远镜系统，包括轴心处开设有通孔的球面主镜，以及设置在所述球面主镜一侧的非球面次镜，所述非球面次镜与所述球面主镜共同组成卡塞格林光学系统结构，所述多通道长光程望远镜系统还包括：
多路光源系统，用于发射红外光与紫外光，以分别形成第一通道与第二通道；
角锥反射镜，设置在所述多路光源系统远离所述球面主镜的一侧；
红外反射镜，用于将多路光源系统发射的红外光进行反射至角锥反射镜，再被角锥反射镜反射至球面主镜与非球面次镜组成的所述卡塞格林光学系统结构，通过所述卡塞格林光学系统结构来将红外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置；
紫外反射镜，用于将多路光源系统发射的紫外光进行反射至球面主镜的外圈部分进行准直，再被角锥反射镜反射至球面主镜与非球面次镜组成的所述卡塞格林光学系统结构，通过所述卡塞格林光学系统结构来将紫外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置，以与汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置的红外光形成混合光；所述紫外反射镜位于所述红外反射镜朝向所述球面主镜的一侧；以及
分色镜，设置在所述球面主镜远离所述角锥反射镜的一侧，且所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置位于所述分色镜与所述球面主镜之间，所述分色镜用于将在所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置汇聚的混合光进行分光，以分别传输至红外光接收端与紫外光接收端进行测量。
本发明实施例提出的一种多通道长光程望远镜系统，可以实现长光程遥感中多通道同时测量多种尾气，并且多通道长光程望远镜系统中的紫外光通过紫外反射镜，红外光通过红外准直透镜、红外反射镜各自反射经过角锥反射镜后再通过主次镜组成的卡塞格林光学系统结构聚焦，通过后端准直、分色再各自进入接收端，实现了紫外光与红外光的发射端与接收端光路的部分分离，发射端与接收端均可以独立调节，相比于现有技术针对每一种气体都需要一个单独的装置来测量，有效减少了成本，同时能长距离多通道同时测量多种气体。
在本发明的另一个实施例中，还提供了一种上述的多通道长光程望远镜系统在环境监测中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提供的多通道长光程望远镜系统，包括轴心处开设有通孔的球面主镜，以及设置在所述球面主镜一侧的非球面次镜，还包括用于发射红外光与紫外光的多路光源系统，角锥反射镜，红外反射镜，紫外反射镜，分色镜。通过设置多路光源系统，并通过非球面次镜、球面主镜、角锥反射镜、红外反射镜、紫外反射镜与分色镜等结构的配合使用，可以通过使用反射方式提高紫外光源能量利用率，通过反射折转方式以及分色镜方式实现了两个通道光同步进行测量的目的，通过前端各路反射镜调整两个通道光位置，并且通过后端分色镜将两个通道光分开，实现两个通道光路互不干扰测量，解决了现有用于尾气遥感监测的望远镜系统存在只能单独对一种气体进行测量的问题，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的多通道长光程望远镜系统的结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的多通道长光程望远镜系统中卡塞格林光学系统结构的结构示意图。
图3为本发明一实施例提供的多通道长光程望远镜系统中角锥反射镜的结构示意图。
图4为本发明另一实施例提供的多通道长光程望远镜系统中第一通道中紫外光接收端光斑图。
图5为本发明另一实施例提供的多通道长光程望远镜系统中第二通道中红外光接收端光斑图。
图中：1-红外发光件；2-紫外发光件；3-第一准直件；4-红外反射镜；5-紫外反射镜；6-非球面次镜；7-球面主镜；8-遮拦孔；9-第二准直件；10-分色镜；11-第一聚焦件；12-第二聚焦件；13-紫外光接收端；14-红外光接收端；15-角锥反射镜。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。为了使本发明的技术方案更加清楚，本领域熟知的工艺步骤及器件结构在此省略。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-3所示，为本发明一个实施例提供的一种多通道长光程望远镜系统的结构图，所述多通道长光程望远镜系统具体是基于卡塞格林结构式的长光程多通道结构系统，其包括轴心处开设有通孔的球面主镜7，以及设置在所述球面主镜7一侧的非球面次镜6，所述非球面次镜6与所述球面主镜7共同组成卡塞格林光学系统结构，其特征在于，所述多通道长光程望远镜系统还包括：
多路光源系统，用于发射红外光与紫外光，以分别形成第一通道与第二通道；
角锥反射镜15，设置在所述多路光源系统远离所述球面主镜7的一侧；
红外反射镜4，用于将多路光源系统发射的红外光进行反射至角锥反射镜15，再被角锥反射镜15反射至球面主镜7与非球面次镜6组成的所述卡塞格林光学系统结构，通过所述卡塞格林光学系统结构来将红外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置；
紫外反射镜5，用于将多路光源系统发射的紫外光进行反射至球面主镜7的外圈部分进行准直，再被角锥反射镜15反射至球面主镜7与非球面次镜6组成的所述卡塞格林光学系统结构，通过所述卡塞格林光学系统结构来将紫外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置，以与汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置的红外光形成混合光；所述紫外反射镜5位于所述红外反射镜4朝向所述球面主镜7的一侧；
分色镜10，设置在所述球面主镜7远离所述角锥反射镜15的一侧，且所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置位于所述分色镜10与所述球面主镜7之间，所述分色镜10用于将在所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置汇聚的混合光进行分光，以分别传输至红外光接收端14与紫外光接收端13进行测量。
在本发明实施例中，通过设置多路光源系统，并通过非球面次镜6、球面主镜7、角锥反射镜15、红外反射镜4、紫外反射镜5与分色镜10等结构的配合使用，可以通过使用反射方式提高紫外光源能量利用率，通过反射折转方式以及分色镜方式实现了两个通道光（第一通道与第二通道对应的红外光与紫外光）同步进行测量的目的，通过前端各路反射镜（红外反射镜4、紫外反射镜5）调整两个通道光位置，并且通过后端分色镜10将两个通道光分开，实现两个通道光路互不干扰测量，可应用于船舶遥感系统中测量船舶尾气中多种气体（SOx、NOx、VOC、COx）。
在本发明的一个实例中，所述分色镜10镀有反紫外透红外的膜层，具体可以采用现有技术，这里并不作赘述。
在本发明的又一个实例中，如图2所示，所述非球面次镜6与所述球面主镜7共同组成卡塞格林光学系统结构，具体的，球面主镜7（中心打孔）与非球面次镜6组合而成卡塞格林系统，被角锥反射镜15反射后沿着原方向返回的入射平行光由球面主镜7（中心打孔）与非球面次镜6组合而成的卡塞格林系统会聚至焦点位置。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述多路光源系统包括至少一个红外发光件1与至少一个紫外发光件2，所述红外发光件1位于所述紫外发光件2远离所述球面主镜7的一侧，所述红外发光件1用于发射红外光，所述紫外发光件2用于发射紫外光。
在本发明的一个实例中，具体的，红外发光件1是红外激光发生器，也可以是其他现有的可以发射红外激光的设备，具体型号根据需求进行选择，这里并不作限定，所述紫外发光件2可以是紫外氘灯，也可以是其他现有的可以发射紫外光的设备，具体型号根据需求进行选择，这里并不作限定，这里优选紫外氘灯。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述分光是通过分色镜10将所述混合光进行分光以分成两路光（紫外光，红外光），得到分光后的红外光与分光后的紫外光，分光后的红外光传输至红外光接收端14进行测量，分光后的紫外光传输至紫外光接收端13进行测量。
在本发明实施例中，通过所述分色镜10将混合光进行分光以分成两路光（紫外光，红外光），得到分光后的红外光与分光后的紫外光，多路光源系统发射的红外光进行传输形成分光后的红外光所经过的路径为第一通道，多路光源系统发射的红外光进行传输形成分光后的红外光所经过的路径为第二通道。
在本发明的一个实例中，紫外光接收端13是光谱仪探测器、红外光接收端14是红外光电探测器，具体型号根据需求进行选择，这里并不作限定。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述红外发光件1与所述红外反射镜4之间还设置有第一准直件3，所述第一准直件3用于维持所述红外发光件1发射的红外光的准直性。
在本发明实施例中，具体的，第一准直件3可以是红外准直透镜，维持红外激光光束的准直性。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置设置有遮拦孔8，所述遮拦孔8用于供混合光通过并传输至分色镜10进行分光。
在本发明的一个实例中，所述遮拦孔8是设置为小孔，且口径可变（可消除杂散光，提高信号的信噪比）。
在本发明的又一个实例中，第一通道中紫外氘灯发出的光经过紫外反射镜5反射，到达球面主镜7，被球面主镜7外圈部分准直后，经过大气传输一段距离，到达角锥反射镜15进行反射后原路返回，再经过球面主镜7反射（被球面主镜7内圈部分接收）到达非球面次镜6聚焦从球面主镜7中心的遮拦孔8（小孔）出来；第二通道中红外激光器发出的光经过第一准直件3以及红外反射镜4折转后，进入大气，经过一定距离的传输，被角锥反射镜15反射后原路返回到球面主镜7（被球面主镜7内圈部分接收），再经过球面主镜7反射到达非球面次镜6聚焦从球面主镜7中心的遮拦孔8出来，光路聚焦点附近的遮拦孔8是小孔，从小孔出来的第一通道中的紫外光与第二通道中的红外光被透红外光反紫外光的分色镜10分成两路，第一通道中的紫外光经过第一聚焦件11（紫外准直镜）聚焦进入紫外光谱仪，被紫外光谱仪接收，第二通道中的红外光经过第二聚焦件12（红外准直透镜）聚焦到达红外光电探测器，被红外光电探测器接收，可以在满足长光程条件下，同时多通道测量多种气体。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述遮拦孔8与所述分色镜10之间设置有第二准直件9，所述第二准直件9用于维持所述混合光的准直性。
在本发明实施例中，具体的，第二准直件9是准直透镜，红外激光与紫外光经过第二准直件9准直。
在本发明的一个实例中，光路聚焦点附近的遮拦孔8是小孔，经过第二准直件9将这两个通道的光准直出去，然后从小孔出来的第一通道中的紫外光与第二通道中的红外光被透红外光反紫外光的分色镜10分成两路，第一通道中的紫外光经过第一聚焦件11（紫外准直镜）聚焦进入紫外光谱仪，被紫外光谱仪接收，第二通道中的红外光经过第二聚焦件12（红外准直透镜）聚焦到达红外光电探测器，被红外光电探测器接收，可以在满足长光程条件下，同时多通道测量多种气体。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述分色镜10与所述紫外光接收端13之间还设置有第一聚焦件11。
在本发明的一个实例中，所述第一聚焦件11可以是紫外准直透镜、紫外聚焦透镜等，用于将分色镜10分光得到的分光后的紫外光进行准直并聚到第一聚焦件11的焦点位置，所述紫外光接收端13设置在第一聚焦件11的焦点位置，可以接收对应通道的光信号。
进一步的，作为本发明的一种优选实施例，所述分色镜10与所述红外光接收端14之间还设置有第二聚焦件12。
在本发明的一个实例中，所述第二聚焦件12可以是红外准直透镜、红外聚焦透镜等，用于将分色镜10分光得到的分光后的红外光进行准直并聚到第二聚焦件12的焦点位置，所述红外光接收端14设置在第二聚焦件12的焦点位置，可以接收对应通道的光信号。
作为本发明的一种优选实施例，所述的球面主镜7、非球面次镜6、紫外反射镜5、红外反射镜6、角锥反射镜15、遮拦孔8、第二准直件9、分色镜10、第二聚焦件12、红外光接收端14同轴。
在本发明的一个实例中，所述的紫外发光件2、红外发光件1、第一准直件3与主光轴成90度放置。
在本发明的又一个实例中，所述第一通道的光路由紫外发光件2，紫外反射镜5，球面主镜7（中心打孔），角锥反射镜15，非球面次镜6，遮拦孔8，分色镜10，第一聚焦件11（紫外聚焦透镜），紫外光接收端13（紫外光谱仪探测器）组成。
在本发明的又一个实例中，所述第二通道的光路由红外发光件1，第一准直件3，红外反射镜4，角锥反射镜15，球面主镜7（中心打孔），非球面次镜6，遮拦孔8，分色镜10，第二聚焦件12（红外聚焦镜），红外光接收端14（红外光电池探测器）组成。
作为本发明的一种优选实施例，所述第一通道中紫外光接收端13接收的光斑直径大小在0.6mm以内，所述第二通道中红外光接收端14接收的光斑直径大小在0.6mm以内。
如图5所示，本发明的一个实施例还提供的一种上述的多通道长光程望远镜系统在环境监测中的应用，可以在满足长光程条件下，同时多通道测量车辆、船舶等设备的尾气排放中的多种尾气（SOx、NOx、VOC、COx），为实现长光程船舶尾气测量提供有效的检测。
其中，图4为本发明实施例提供的多通道长光程望远镜系统中第一通道中紫外光接收端光斑图。图5为本发明实施例提供的多通道长光程望远镜系统中第二通道中红外光接收端光斑图。多通道长光程望远镜系统中的紫外光通过紫外反射镜5，红外光通过第一准直件3、红外反射镜4各自反射经过角锥反射镜15后再通过主次镜组成的卡塞格林光学系统结构聚焦，通过后端准直、分色再各自进入接收端，实现了紫外光与红外光的发射端与接收端光路的部分分离，发射端与接收端均可以独立调节，相比于现有技术针对每一种气体都需要一个单独的装置来测量，有效减少了成本，同时能长距离多通道同时测量多种气体。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述的实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种多通道长光程望远镜系统，包括轴心处开设有通孔的球面主镜，以及设置在所述球面主镜一侧的非球面次镜，所述非球面次镜与所述球面主镜共同组成卡塞格林光学系统结构，其特征在于，所述多通道长光程望远镜系统还包括：
多路光源系统，用于发射红外光与紫外光，以分别形成第一通道与第二通道；
角锥反射镜，设置在所述多路光源系统远离所述球面主镜的一侧；
红外反射镜，用于将多路光源系统发射的红外光进行反射至角锥反射镜，再被角锥反射镜反射至所述卡塞格林光学系统结构，并将红外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置；
紫外反射镜，用于将多路光源系统发射的紫外光进行反射至球面主镜的外圈部分进行准直，再被角锥反射镜反射至所述卡塞格林光学系统结构，并将紫外光汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置，以与汇聚到所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置的红外光形成混合光；所述紫外反射镜位于所述红外反射镜朝向所述球面主镜的一侧；以及
分色镜，设置在所述球面主镜远离所述角锥反射镜的一侧，所述分色镜用于将所述混合光进行分光，以分别传输至红外光接收端与紫外光接收端进行测量；
所述多路光源系统包括至少一个红外发光件与至少一个紫外发光件，所述红外发光件位于所述紫外发光件远离所述球面主镜的一侧，所述红外发光件用于发射红外光，所述紫外发光件用于发射紫外光；
所述分光是通过分色镜将所述混合光进行分光以分成两路光，得到分光后的红外光与分光后的紫外光，分光后的红外光传输至红外光接收端进行测量，分光后的紫外光传输至紫外光接收端进行测量；
所述红外发光件与所述红外反射镜之间还设置有第一准直件，所述第一准直件用于维持所述红外发光件发射的红外光的准直性；
所述卡塞格林光学系统结构的焦点位置设置有遮拦孔，所述遮拦孔用于供混合光通过并传输至分色镜进行分光；
所述遮拦孔与所述分色镜之间设置有第二准直件，所述第二准直件用于维持所述混合光的准直性；
所述分色镜与所述紫外光接收端之间还设置有第一聚焦件；所述分色镜与所述红外光接收端之间还设置有第二聚焦件；所述紫外光接收端接收的紫外光光斑直径大小在0.6mm以内，所述红外光接收端接收的红外光光斑直径大小在0.6mm以内；
其中，通过反射折转方式以及分色镜方式实现两个通道光同步进行测量，通过前端各路反射镜调整两个通道光位置，并且通过后端分色镜将两个通道光分开，实现两个通道光路互不干扰测量。
2.一种如权利要求1所述的多通道长光程望远镜系统在环境监测中的应用。
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