CN114609044B - 一种长光程气体吸收池反射光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种长光程气体吸收池反射光学系统，包括反射镜一和反射镜二，反射镜一和反射镜二相对且间隔设置，所述反射镜二上设有光输入端口和光输出端口，反射镜一、反射镜二、光输入端口、光输出端口共同构成多次反射光学系统；准直光束通过光输入端口射入并在反射镜一和反射镜二之间进行反射，最后通过光输出端口射出。本发明实现准直光束在有限空间内能够达到更长的光程，完成更多次的反射；且系统结构简单，光学调校相对简单，易于操作，而且性能稳定，可广泛用于各类检测环境。

Description

一种长光程气体吸收池反射光学系统
技术领域
本发明涉及光学气体传感器检测技术领域，具体涉及一种长光程气体吸收池反射光学系统。
背景技术
工业气体传感器是气体安全的重要保障，随着我国经济的高速发展和物联网工业应用的不断深入优化，工业传感器近年来逐步向低功耗、微型化、便携式方向发展。现有的光学气体传感器具有寿命长、精度高、抗中毒等优点，在气体检测领域广泛应用；光学气体吸收池为传感器的核心部件，直接决定传感器的性能和外形尺寸。
随着在气体检测领域对精度的要求提升，光学气体吸收池的光程也需要进一步提高。要求在有限空间内的实现更长的光程，需要吸收池实现更多次的反射。而传统的光学气体吸收池存在在有限空间内难以实现多次反射、光程短等缺陷，导致检测环境以及检测浓度受到限制，无法满足客户的使用需求。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种长光程气体吸收池反射光学系统，实现准直光束在有限空间内能够达到更长的光程，完成更多次的反射。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种长光程气体吸收池反射光学系统，包括反射镜一和反射镜二，反射镜一和反射镜二相对且间隔设置，所述反射镜二上设有光输入端口和光输出端口，反射镜一、反射镜二、光输入端口、光输出端口共同构成反射光学系统；准直光束通过光输入端口射入并在反射镜一和反射镜二之间进行反射、并通过光输出端口射出。
所述反射镜二包括内凹面和外环面，光输入端口和光输出端口均设于反射镜二的外环面上。
反射镜二内凹面的曲率半径与反射镜一的曲率半径相等或相近。
所述光输入端口和光输出端口之间所对应的圆心角γ的大小与反射镜一的曲率半径、反射镜二内凹面的曲率半径或反射镜一和反射镜二之间的间隔距离相关。
所射入的准直光束与反射镜二的轴线之间形成轴向夹角为α，准直光束投影在反射镜二上的径向夹角为β，且轴向夹角α和径向夹角β的大小均与反射镜一的曲率半径、反射镜二内凹面的曲率半径或反射镜一和反射镜二之间的间隔距离相关。
所述准直光束在反射镜一和反射镜二之间反射的光路为：准直光束通过光输入端口射入并先到达反射镜一，经反射镜一反射至反射镜二的内凹面上，再经反射镜二反射至反射镜一，最后由反射镜一反射至反射镜二的外环面上；依次规律重复反射，最终在反射镜一上形成一圈反射光斑，在反射镜二的内凹面和外环面上各形成一圈反射光斑。
所述反射镜一上形成反射光斑的数量为反射镜二上形成反射光斑的数量加一。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明中的反射镜结构易于加工制造，通过将反射镜一的曲率半径与反射镜二内凹面的曲率半径设计为相等或相近，一定程度上简化了反射镜的加工工艺，保证加工精度，同时也保证准直光束反射时在两个反射镜上所形成的光斑分布均匀；
2.将反射镜二设计为包含内凹面和外环面，并将光输入端口和光输出端口均设置在反射镜二的外环面上，准直光束在两个反射镜之间多次反射，并最终在反射镜一上形成一圈反射光斑，在反射镜二的内凹面和外环面上各形成一圈反射光斑，且反射光斑分布均匀；
3.通过调整两个反射镜的曲率半径以及其之间的间隔距离，可以改变准直光束在吸收池内的反射次数以及所形成反射光斑的光圈大小，从而得到各种不同尺寸需求的长光程气体吸收池。
4.本发明系统结构简单，光学调校相对简单，易于操作，而且性能稳定，可广泛用于各类检测环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明准直光束射入时形成轴向夹角的示意图；
图3为本发明准直光束射入时形成径向夹角的示意图；
图4为本发明准直光束第一次反射的光路示意图；
图5为本发明准直光束第二次反射的光路示意图；
图6为本发明反射镜一上所形成的反射光斑分布图；
图7为本发明反射镜二上所形成的反射光斑分布图；
图8为本发明的光学模拟图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种长光程气体吸收池反射光学系统，包括反射镜一1和反射镜二2，反射镜一1和反射镜二2相对且间隔设置，所述反射镜一1为凹面反射镜，反射镜二2上分别设有光输入端口3和光输出端口4，反射镜一1、反射镜二2、光输入端口3、光输出端口4共同构成反射光学系统。光源发出的准直光束通过光输入端口3射入吸收池内，并在反射镜一1和反射镜二2之间进行一次以上反射，最后通过光输出端口4射出，实现在有限空间内能够达到更长的光程。
本实施例中，所述反射镜二2包括内凹面和外环面，光输入端口3和光输出端口4均设于反射镜二2的外环面上。设反射镜一1的曲率半径为R1、外径为D1，反射镜二2的外径为D2，反射镜二2外环面的曲率半径为R2，反射镜二2内凹面的曲率半径为R3，反射镜二2内凹面所对应的外径为D3，其中反射镜二的外环面为平面结构，其曲率半径R2可以无穷大且大于反射镜二内凹面的曲率半径R3，反射镜二内凹面的曲率半径R3与反射镜一1的曲率半径R1相等或相近。这样设计的好处是更易于反射镜一和反射镜二的加工制造，简化了反射镜的加工工艺，保证加工精度；同时也保证准直光束反射时在两个反射镜上所形成的光斑分布均匀。
进一步地，如图2、图3所示，所射入的准直光束与反射镜二2的轴线之间形成轴向夹角为α，准直光束投影在反射镜二2上的径向夹角为β，且轴向夹角α和径向夹角β的大小均与反射镜一1的曲率半径R1、反射镜二内凹面的曲率半径R3或反射镜一1和反射镜二2之间的间隔距离d相关。即通过调整反射镜一1的曲率半径R1或反射镜二内凹面的曲率半径R3或者反射镜一1和反射镜二2之间的间隔距离d，可改变准直光束的射入角度，进而改变准直光束在吸收池内的反射次数以及所形成的反射光斑的光圈大小。
如图4、图5所示，所述准直光束在反射镜一1和反射镜二2之间反射的光路为：准直光束通过光输入端口3射入并先到达反射镜一1的表面P1处，依反射定律经过反射镜一1反射至反射镜二2的内凹面的表面P2处，经反射镜二2反射至反射镜一1的表面P3处，再经过反射镜一1回反射至反射镜二2的外环面的表面P4处，形成第一组反射光束。然后准直光束在P4处经过反射镜二2的反射后到达反射镜一1的表面P5处，后续按照第一组的反射规则，依次反射经过反射点P6、P7到达反射镜二2表面的P8处，形成第二组反射光束。准直光束依次规律在反射镜一1和反射镜二2之间多次反射，最终在反射镜一1上形成一圈反射光斑，在反射镜二2的内凹面和外环面上各形成一圈反射光斑。且反射镜一1上形成反射光斑的数量为反射镜二2上形成反射光斑的数量加一，具体如图6、7所示，即反射镜一上面的反射光斑数量为反射镜二上面的两圈反射光斑数量之和。调整反射镜一和反射镜二之间的间隔距离d，可以改变反射镜二的外圈光斑的位置，使光束最终到达光输出端口4处并射出。本发明的光学模拟图如图8所示。
由于光输入端口的光源器件和光输出端口的探测器器件都有一定的尺寸要求，所以吸收池的相邻反射光斑的间隔也有尺寸要求。本实施例中，光输入端口3和光输出端口4分别设置在反射镜二2外环面的不同位置的反射光斑上，对反射镜一的反射光斑间隔和反射镜二的内圈反射光斑间隔不做要求，这样在光程一定的情况下，光学系统的外形尺寸可以做到更小。
所述光输入端口3和光输出端口4之间所对应的圆心角γ的大小与反射镜一1的曲率半径R1、反射镜二内凹面的曲率半径R3或反射镜一1和反射镜二2之间的间隔距离d相关。即调整参数R1、R3、d或入射角度α、β的数值，可以改变准直光束在吸收池内的反射次数以及所形成的反射光斑的光圈大小，从而得到各种不同尺寸需求的长光程气体吸收池。本发明系统结构简单，光学调校相对简单，易于操作，而且性能稳定，可广泛用于各类检测环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长光程气体吸收池反射光学系统，其特征在于，包括反射镜一（1）和反射镜二（2），反射镜一（1）和反射镜二（2）相对且间隔设置，所述反射镜二（2）上设有光输入端口（3）和光输出端口（4），反射镜一（1）、反射镜二（2）、光输入端口（3）、光输出端口（4）共同构成反射光学系统；准直光束通过光输入端口（3）射入并在反射镜一（1）和反射镜二（2）之间进行反射、并通过光输出端口（4）射出；
所述反射镜二（2）包括内凹面和外环面，光输入端口（3）和光输出端口（4）均设于反射镜二（2）的外环面上；
所述反射镜一（1）为凹面反射镜，通过调整反射镜一（1）的曲率半径R1或反射镜二内凹面的曲率半径R3或者反射镜一（1）和反射镜二（2）之间的间隔距离d，改变准直光束的反射角度，进而改变准直光束在吸收池内的反射次数以及所形成的反射光斑的光圈大小；
所述准直光束在反射镜一（1）和反射镜二（2）之间反射的光路为：准直光束通过光输入端口（3）射入并先到达反射镜一（1），经反射镜一（1）反射至反射镜二（2）的内凹面上，再经反射镜二（2）反射至反射镜一（1），最后由反射镜一（1）反射至反射镜二（2）的外环面上；依次规律重复反射，最终在反射镜一（1）上形成一圈反射光斑，在反射镜二（2）的内凹面和外环面上各形成一圈反射光斑。
2.根据权利要求1所述的长光程气体吸收池反射光学系统，其特征在于，所述反射镜二内凹面的曲率半径（R3）与反射镜一（1）的曲率半径（R1）相等或相近。
3.根据权利要求2所述的长光程气体吸收池反射光学系统，其特征在于，所述光输入端口（3）和光输出端口（4）之间所对应的圆心角γ的大小与反射镜一（1）的曲率半径（R1）、反射镜二内凹面的曲率半径（R3）或反射镜一（1）和反射镜二（2）之间的间隔距离（d）相关。
4.根据权利要求2或3所述的长光程气体吸收池反射光学系统，其特征在于，所射入的准直光束与反射镜二（2）的轴线之间形成轴向夹角为α，准直光束投影在反射镜二（2）上的径向夹角为β，且轴向夹角α和径向夹角β的大小均与反射镜一（1）的曲率半径（R1）、反射镜二内凹面的曲率半径（R3）或反射镜一（1）和反射镜二（2）之间的间隔距离（d）相关。
5.根据权利要求4所述的长光程气体吸收池反射光学系统，其特征在于，所述反射镜一（1）上形成反射光斑的数量为反射镜二（2）上形成反射光斑的数量加一。
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