CN113218826B - 一种粒子计数器传感器的光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种粒子计数器传感器的光路系统，系统设有激光器，沿着所述激光器的光路依次设有非球面透镜、微透镜阵列、柱面透镜、矩形孔光阑、光敏区和反射镜，采样气流与光路相交位置为光敏区，所述反射镜为倾斜设置的凹面镜，所述反射镜的焦点位于光路附近的光电转换器件，所述反射镜上光路照射区域为供光路穿过的钻孔。本光路系统能够获得强度更大、更加稳定的电信号，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合矩形光阑的结构极大地降低了传感器的光学本底噪声。

Description

一种粒子计数器传感器的光路系统
技术领域
本发明涉及洁净度检测设备领域，特别是一种粒子计数器传感器散射光收集系统。
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，通过收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。
此前，国内大流量全半导体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经过摆放在平行于Z轴距粒子较远处的反射镜反射聚焦到光电二极管。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，并且反射镜的收集区域过小，造成收集到的散射光信号强度不够可靠与稳定，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
本发明所要解决的技术问题是实现一种粒子计数器传感器整体光路系统，使得粒子计数器的传感器体积更小，并提高测量粒径准确度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种粒子计数器传感器的光路系统，系统设有激光器，沿着所述激光器的光路依次设有非球面透镜、微透镜阵列、柱面透镜、矩形孔光阑、光敏区和反射镜，采样气流与光路相交位置为光敏区，所述反射镜为倾斜设置的凹面镜，所述反射镜的焦点位于光路附近的光电转换器件，所述反射镜上光路照射区域为供光路穿过的钻孔。
所述非球面透镜、微透镜阵列、柱面透镜、矩形孔光阑和光敏区依据距离激光器发光面的距离为1mm，10mm，15mm，20mm，30mm。
所述激光器发出的光源经非球面透镜准直为平行光或准平行光，由微透镜阵列将光束整形为矩形或接近矩形的光斑，然后由柱面镜压缩并经过矩形孔光阑的矩形孔汇聚于光敏区，所述矩形孔光阑的矩形孔尺寸为2mm*1mm。
所述反射镜轴线与光路夹角为30度，所述反射镜上钻孔的尺寸略大于光路尺寸，所述光电转换器件位于矩形孔光阑和反射镜之间
所述采样气流经进气嘴进入气流管道，由气流管道伸入光路系统内，在与进气嘴同轴的光敏区另一侧一定距离处设有出气嘴，所述进气嘴和出气嘴与主光路垂直，所述进气嘴内径小于出气嘴内径。
所述进气嘴内部为圆形且内径为3mm，所述出气嘴内部为圆形且内径为6mm，所述出气嘴距离光敏区2mm。
本发明光路系统中，半导体激光器发出的激光束通过非球面透镜准直为平行光或准平行光，再由单元为矩形的微透镜阵列散射片将光束整形为光强较近似矩形的均匀光斑，然后由柱面镜压缩汇聚于光敏区，通过倾斜30角度放置在光敏区光斑后侧的钻孔反射镜将主要散射光路的大部分光强反射聚焦于光电转换器件，从而获得强度更大、更加稳定的电信号，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合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
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为光路系统原理图；
图2为直径为0.3微米的标准粒子的Mie散射光功率分布极坐标图；
图3为Zemax仿真光敏区2*1mm探测器的光斑图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，粒子计数器传感器整体光路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非球面镜、微透镜阵列、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；光敏区光路后方倾斜放置一块经过钻孔处理的反射镜，反射镜光轴线与Z轴所夹锐角为三十度。
为了尽可能的减小系统体积，同时提升系统工作的可靠性和准确性，每个单元的安装尺寸要求如下，以LD光源激光器发光面为坐标原点，在半导体激光器的光束出射方向上(Z轴正方向)距离1mm，10mm，15mm，20mm，30mm依次设有非球面镜、微透镜阵列、柱面透镜、矩形孔光阑及光敏区；垂直于主光束的X轴方向设有进气嘴和出气嘴，采样气流从进气嘴流入气流管道，从出气嘴流出，采样气流与主光束交叉重叠区域形成光敏区得到图3形状的光斑；光敏区主光路后侧附近倾斜30角度摆放的钻孔反射镜收集大部分散射光强并汇聚于光电转换器件。
矩形孔光阑用于过滤杂散光以降低腔体的光学本底噪声，矩形孔尺寸为2mm*1mm，其1mm宽度方向与采样气流方向平行。采样气路系统的进气嘴为圆形，内径3mm，伸入腔体内且离光敏区距离为2mm；出气嘴为圆形，不伸入腔体内，内径6mm。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。
工作原理如下：大功率半导体激光器发出的多模激光束通过非球面透镜准直为平行光或准平行光，再由单元为矩形的微透镜阵列散射片将光束整形为光强较均匀的近似矩形光斑，而后由柱面镜压缩汇聚于光敏区得到图3形状的光斑，在光敏区与柱面镜之间设置矩形光阑，光敏区主光路后侧附近倾斜三十角度摆放的钻孔反射镜能够收集大部分散射光强并反射聚焦于光电转换器件。钻孔反射镜在倾斜摆放三十角度的基础上通过计算主光路后续路径来钻出比主光束略粗的孔(直径4mm)以达到减小主光束的噪声影响的同时能够大幅提高散射光利用率的目的。
本发明的散射光收集系统不仅提高了光敏区光强分布的均匀性和光功率的密度，而且提高了散射光收集利用率，即提高了传感器的粒径分辨率、信噪比和灵敏度。如图2所示，当光束自180度位置向0度位置照射，散射光在方位角为0到60度和300到360度时光强较大，信号比较强烈而稳定。
上述粒子计数器传感器整体光路系统结构，采用的光路设计将传感器长度缩短为原单透镜结构的一半以内，使光敏区的光斑分布近似矩形且均匀，通过矩形孔光阑降低散射光收集腔内的光学本底噪声，通过钻孔处理的反射镜收集大部分有效散射光强以增强电信号的可靠度和稳定性，使其具有体积小、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。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种粒子计数器传感器的光路系统，系统设有激光器，其特征在于：沿着所述激光器的光路依次设有非球面透镜、微透镜阵列散射片、柱面透镜、矩形孔光阑、光敏区和反射镜，采样气流与光路相交位置为光敏区，所述反射镜为倾斜设置的凹面镜，所述反射镜的焦点位于光路附近的光电转换器件，所述反射镜上光路照射区域为供光路穿过的钻孔；
所述非球面透镜、微透镜阵列散射片、柱面透镜、矩形孔光阑和光敏区依据距离激光器发光面的距离为1mm，10mm，15mm，20mm，30mm；
所述激光器发出的光源经非球面透镜准直为平行光或准平行光，由单元为矩形的微透镜阵列散射片将光束整形为矩形或接近矩形的光斑，然后由柱面镜压缩并经过矩形孔光阑的矩形孔汇聚于光敏区，所述矩形孔光阑的矩形孔尺寸为2mm*1mm；所述反射镜轴线与光路夹角为30度，所述反射镜上钻孔的尺寸略大于光路尺寸，所述光电转换器件位于矩形孔光阑和反射镜之间。
2.根据权利要求1所述的粒子计数器传感器的光路系统，其特征在于：所述采样气流经进气嘴进入气流管道，由气流管道伸入光路系统内，在与进气嘴同轴的光敏区另一侧一定距离处设有出气嘴，所述进气嘴和出气嘴与主光路垂直，所述进气嘴内径小于出气嘴内径。
3.根据权利要求2所述的粒子计数器传感器的光路系统，其特征在于：所述进气嘴内部为圆形且内径为3mm，所述出气嘴内部为圆形且内径为6mm，所述出气嘴距离光敏区2mm。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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