CN115753497A

CN115753497A - 基于psd的光学密度测量装置及方法

Info

Publication number: CN115753497A
Application number: CN202211462601.5A
Authority: CN
Inventors: 李丽艳; 周燕; 范松涛
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明提供了一种基于PSD的光学密度测量装置，包括：激光器、准直镜、第一反射镜、第二反射镜、第一光学窗口、第二光学窗口、聚焦透镜、PSD探测器以及信号处理器；准直镜和第一反射镜依次设置在激光器发射探测激光的光束路径上，探测激光经由第一反射镜反射预设角度后的光束路径上依次排设第一光学窗口、第二光学窗口和第二反射镜，探测激光经由第二反射镜反射预设角度后的光束路径上依次设有聚焦透镜、PSD探测器和信号处理器。

Description

基于PSD的光学密度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学密度测量技术领域，具体涉及一种基于PSD角度测量的光学密度测量装置及方法。

背景技术

密度是物质的重要特性和指标，如大气密度、海洋密度，是生态环境观测的重要内容，通过密度可实现大洋温盐环流、气候变化、生物化学、海洋工程以及生态学等领域观测。

现有技术中的光学密度测量主要有超灵敏光学相干方法，但其结构复杂，器件较多，成本高，还主要由表面等离子体法，通过金属表面对介质折射率变化敏感特性，但其探测头为金属薄膜，易腐蚀，无法长期在水下工作，还有基于PSD位置变化的密度测量方法，但其灵敏度受PSD的灵敏度影响，探测面积有限，结构复杂，且受V型槽角度限制，无法实现大动态范围介质密度测量。

发明内容

为了解决现有PSD在介质密度测量技术中存在的动态范围小，测量精度受PSD精度限制问题，本发明提供了一种基于PSD的光学密度测量装置及方法，该方法以待测介质折射率引起探测光偏折的原理为基础，针对现有PSD测量介质密度存在的问题，提出了基于PSD角度测量介质密度方法，解决了现有PSD测量技术下，动态范围小，精度低的缺陷。

根据本发明的一实施例，第一光学窗口和第二光学窗口中间分隔有探测区，探测区中间包含有待测介质。

根据本发明的一实施例，激光器为半导体激光器、氦氖激光器或固体激光器。

根据本发明的一实施例，激光器发射的探测激光波长范围在400～700nm。

根据本发明的一实施例，准直镜准直后的探测激光直径为5mm。

根据本发明的一实施例，聚焦透镜的焦距范围为50mm～500mm。

根据本发明的另一实施例，提供了一种基于PSD的光学密度测量装置的方法，包括：S1，激光器发射探测激光，由准直镜对探测激光准直；S2，准直后的探测激光由第一反射镜以预设角度进行反射，依次穿过第一光学窗口、第二光学窗口以及第一光学窗口和第二光学窗口之间的探测区，形成探测激光的角度偏折，探测区内包含有待测介质；S3，探测激光由第二反射镜以预设角度反射至聚焦透镜上，并由聚焦透镜聚焦至PSD探测器上；S4，PSD探测器获得探测激光的位置变化并输出电压信号；S5，电压信号输入至信号处理器，处理得到待测介质的密度。

根据本发明的另一实施例，探测激光除探测区的光束路径为测量区。

根据本发明的另一实施例，待测介质为透光气体或液体。

根据本发明的另一实施例，测量区内为空气介质。

与现有技术相比，本发明提供的基于PSD的光学密度测量装置，至少具有以下有益效果：

(1)该方法及装置可实现大动态范围、气液两态密度同时测量，弥补了现有PSD(一维、二维)密度测量方法中动态范围小、精度低的问题；

(2)该方法及装置相较于相干密度测量方法，具有结构简单，系统调试容易、成本低等优点；

(3)该方法及装置可实现海洋环境下、大气环境下原位密度测量、精度高、不易受环境影响。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明实施例的光学密度测量装置示意图；

图2为本发明实施例的光学密度测量方法流程图；以及

图3为本发明实施例的光学密度测量方法原理示意图；

【附图标记说明】

1-激光器；2-准直镜；3-第一反射镜；4-第一光学窗口；5-第二光学窗口；6-第二反射镜；7-聚焦透镜；8-PSD探测器。

具体实施方式

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，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例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做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。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1为本发明实施例的光学密度测量装置示意图。图2为本发明实施例的光学密度测量方法流程图。

如图1-图2所示，本发明的提供了一种基于PSD的光学密度测量装置及方法，基于探测激光入射不同待测介质使探测激光的偏折角度发生变化，而实现测量不同待测介质密度的效果。

本发明的一实施例提供了一种基于PSD的光学密度测量装置，包括激光器1、准直镜2、第一反射镜3、第二反射镜6、第一光学窗口4、第二光学窗口5、聚焦透镜7、PSD探测器8以及信号处理器；

准直镜2和第一反射镜3依次设置在激光器1发射探测激光的光束路径上，探测激光经由第一反射镜3反射预设角度后的光束路径上依次排设第一光学窗口4、第二光学窗口5和第二反射镜6，探测激光经由第二反射镜6反射预设角度后的光束路径上依次设有聚焦透镜7、PSD探测器8和信号处理器。

在本发明的一实施例中，第一光学窗口4和第二光学窗口5中间分隔有探测区，探测区中间包含有待测介质。

在本发明的一实施例中，激光器1为半导体激光器1、氦氖激光器1或固体激光器1。

在本发明的一实施例中，激光器1发射的探测激光波长范围在400～700nm内。

示例性地，激光器1的功率例如可以小于20mw。

在本发明的一实施例中，准直镜2准直后的探测激光直径为5mm。

在本发明的一实施例中，聚焦透镜7的焦距范围为50mm～500mm。

图2为本发明实施例的光学密度测量方法流程图。图3为本发明实施例的光学密度测量方法原理示意图。

请参阅图2-图3所示，通过待测介质折射率对探测激光引起的偏折角度实现折射率检测，通过G-D方程完成待测介质折射率与密度的转化，实现待测介质密度测量。

根据上述实施例，本发明的另一实施例根据上述装置提供了一种基于该装置的方法，包括：

S1，激光器1发射探测激光，由准直镜2对探测激光准直。

实例性地，准直后的探测激光到达第一光学窗口4前，经过第一光学窗口4前的介质，该介质例如为空气。

S2，准直后的探测激光由第一反射镜3以预设角度进行反射，依次穿过第一光学窗口4、第二光学窗口5以及第一光学窗口4和第二光学窗口5之间的探测区，形成探测激光的角度偏折，探测区内包含有待测介质。

根据本发明的另一实施例，待测介质为透光气体或液体。

根据本发明的另一实施例，测量区内为空气介质。

实例性地，探测区的待测介质间距为L，待测介质间距可依据测试样品需要进行设定，例如待测介质间距L可以为10cm～40cm，L为常数，该探测激光的折射率为n₀，为常数，θ₀为初始入射角度，为常数。入射第一反射镜3和第二反射镜6的角度均为45度，对光线进行方向调整。探测区的待测介质的折射率例如可以为n₁，探测激光穿过探测区的待测介质后引起的探测激光角度偏折为θ₁，a为探测光照射到PSD上的距离，角度关系满足斯涅尔定律：

n₀ sinθ₀＝n₁ sinθ₁

θ₁＝arctan(a/L)

S3，探测激光由第二反射镜6以预设角度反射至聚焦透镜7上，并由聚焦透镜7聚焦至PSD探测器8上，第一光学窗口4和第二光学窗口5实现了密度测量装置与待测介质的隔离区构建，并实现对探测激光的传输。

示例性地，聚焦透镜7用于实现对经由待测介质引起的光偏折散射的接收，从而实现大折射率引起的探测激光的偏折的接收。

S4，PSD探测器8获得探测激光的位置变化并输出电压信号。

示例性地，PSD探测器8用于对待测介质引起光偏折的测量，实现对二维方向下的偏折测量，

经由聚焦透镜7聚焦后的探测激光入射至位于焦平面处的PSD探测器8上，将光信号转换为电信号，由聚焦透镜7的焦距与PSD探测器8输出的电信号可知，其照射到PSD探测器8上的光信号的X,Y二维位置信号分别为ε_X，ε_y，结合聚焦透镜的焦距f，得到偏折角度的输出θ₂。

S5，电压信号输入至信号处理器，处理得到待测介质的密度，最后输出密度结果。

实例性地，信号处理器用于对PSD探测器8测量的光偏折，结合系统设计参数与G-D方程实现对待测介质密度测量。本实例中，由PSD探测器8转换电信号的介质电压信号，再由信号处理器进行接受，由此输出电压值所带来的光线偏折n₁，经由Gladstone-Dale方程实现待测介质折射率信号向密度ρ₁信号转换输出。

n＝kρ+1

应该明白，发明的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”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。因此，限定有“第一”、“第二”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，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。

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，所应理解的是，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

1.一种基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，包括：

激光器(1)、准直镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(6)、第一光学窗口(4)、第二光学窗口(5)、聚焦透镜(7)、PSD探测器(8)以及信号处理器；

所述准直镜(2)和所述第一反射镜(3)依次设置在所述激光器(1)发射探测激光的光束路径上，探测激光经由所述第一反射镜(3)反射预设角度后的光束路径上依次排设所述第一光学窗口(4)、所述第二光学窗口(5)和所述第二反射镜(6)，探测激光经由所述第二反射镜(6)反射所述预设角度后的光束路径上依次设有所述聚焦透镜(7)、所述PSD探测器(8)和所述信号处理器。

2.根据权利要求1所述的基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，所述第一光学窗口(4)和所述第二光学窗口(5)中间分隔有探测区，所述探测区中间包含有待测介质。

3.根据权利要求1所述的基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)为半导体激光器(1)、氦氖激光器(1)或固体激光器(1)。

4.根据权利要求3所述的基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)发射的探测激光波长范围在400～700nm。

5.根据权利要求1所述的基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，所述准直镜(2)准直后的探测激光直径为5mm。

6.根据权利要求1所述的基于PSD的光学密度测量装置，其特征在于，所述聚焦透镜(7)的焦距范围为50mm～500mm。

7.一种基于PSD的光学密度测量方法，其特征在于，包括：

S1，激光器(1)发射探测激光，由准直镜(2)对所述探测激光准直；

S2，准直后的探测激光由第一反射镜(3)以预设角度进行反射，依次穿过第一光学窗口(4)、第二光学窗口(5)以及第一光学窗口(4)和第二光学窗口(5)之间的探测区，形成所述探测激光的角度偏折，所述探测区内包含有待测介质；

S3，探测激光由第二反射镜(6)以预设角度反射至聚焦透镜(7)上，并由所述聚焦透镜(7)聚焦至PSD探测器(8)上；

S4，所述PSD探测器(8)获得探测激光的位置变化并输出电压信号；

S5，所述电压信号输入至信号处理器，处理得到待测介质的密度。

8.根据权利要求7所述的基于PSD的光学密度测量方法，其特征在于，所述探测激光除所述探测区的光束路径为测量区。

9.根据权利要求7所述的基于PSD的光学密度测量方法，其特征在于，所述待测介质为透光气体或液体。

10.根据权利要求9所述的基于PSD的光学密度测量方法，其特征在于，所述测量区内为空气介质。