CN115979960A - 嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，嵌套气室包括共轴相对布置的第一镜面、第二镜面，其中，第一镜面、第二镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，所述外凹面镜和内凹面镜均为圆形；所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成同心圆形光斑。根据本发明的技术方案，能实现光斑在两侧镜面上分布均匀，镜面利用率高，有利于提高光程体积比，且光束质量高，稳定性好。

Description

嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法

技术领域

本发明涉及痕量气体探测技术领域，尤其涉及一种嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法。

背景技术

基于Beer-Lambert吸收定律，气体浓度探测下限与光程成反比，提高光程是提高精度的主要方法。多反气室利用光在镜子间来回多次反射的原理实现在有限的体积下提升光程，因此它是可调谐吸收光谱技术的关键核心器件。经典多反气室主要有三类，分别是Herriott型、White型及圆环形多反气室。经典多反气室因光斑排列规律，设计简明，调节容易而运用广泛，但同样存在镜面利用率不高、光程体积比较小、探测精度受限的问题。近年，研究人员提出了带有密集光斑样式的双球面镜MPC，它能够在离轴条件下形成同心圆、独立圆、花瓣等密集光斑样式克服了镜面利用率不高的缺陷，并被广泛应用于痕量气体浓度探测领域。

Herriott cell由两个曲率半径相同、共轴相对摆放的球面镜构成，光线在满足近轴传播以及镜间距离满足特殊的数值时，光线可以在镜面上形成椭圆或圆形的光斑样式。Herriott给出了气室参数的解析解，使得气室设计简单，探究发现气室稳定性及光束质量都很好，使得这种气室适用于各式各样的场景。但，上述气室形成的光斑样式常分布于镜面外围，导致Herriott气室存在镜面利用率不高、光程体积比较小、探测精度受限的问题。

带有密集光斑样式的多反气室同样可以由两个曲率半径相同、共轴相对摆放的球面镜构成，光线在镜间离轴传播，在特殊间距下形成同心圆、独立圆、花瓣等密集光斑样式。带有密集光斑样式的多反气室虽然在镜面利用率上优于经典Herriott型气室，但其依然存在以下缺点：(1)因光线离轴传播的原因，镜间距离与镜面大小相互限制，光程通常在几米到几十米的量级，不太适用于长光程(>100m)的气室，导致在痕量气体探测的场景中的应用受到限制；(2)光线离轴传播导致的像差使得光斑形状会变形成椭圆形，出射光的光束质量较差；(3)密集光斑样式的形成原因未研究透彻，未能得到气室参数的解析解，设计过程较为复杂繁琐。

可见，如何设计一款镜面利用率高、光程体积比较大、探测精度灵敏、稳定性好、光束质量高的气室，以便广泛应用于各种应用场景，亟待解决。

为此，需要一种嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，以解决上述技术方案中存在的问题。

发明内容

为此，本发明提供了一种嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，以解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种嵌套气室，包括共轴相对布置的第一镜面、第二镜面，其中：所述第一镜面、第二镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，所述外凹面镜和内凹面镜均为圆形；所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成同心圆形光斑。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述第一镜面与第二镜面的镜面参数相同；所述第一镜面包括共轴嵌套设置的第一外凹面镜和第一内凹面镜，其中，所述第一外凹面镜上设有第一中心孔，所述第一内凹面镜嵌套设置在所述第一中心孔内；所述第二镜面包括共轴嵌套设置的第二外凹面镜和第二内凹面镜，其中，所述第二外凹面镜上设有第二中心孔，所述第二内凹面镜嵌套设置在所述第二中心孔内。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述光线在经所述外凹面镜反射后，适于在所述第一镜面和第二镜面上形成单位半椭圆形光斑，并在经所述内凹面镜反射后，适于在所述第一镜面和第二镜面上形成与所述单位半椭圆形光斑旋转对称的多个半椭圆形光斑，以便基于所有半椭圆形光斑组合形成所述同心圆形光斑。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述单位半椭圆形光斑中，基于所在椭圆的长轴和短轴对称的每四个光斑点，位于同一个圆上；所述单位半椭圆形光斑包含2n个光斑点，其中，n表示所述同心圆形光斑的圈数；所述同心圆形光斑对应的反射次数为2nk，其中，k表示所述同心圆形光斑包含的半椭圆形光斑的数量。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述外凹面镜的尺寸半径大于所述单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述同心圆形光斑中的所有光斑点分布在同心圆上，且圆心位于所述第一镜面和第二镜面的轴线上。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述内凹面镜的周线位于所述同心圆形光斑中的最内侧的两个圆中间。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后，从所述入射孔射出。

可选地，在根据本发明的嵌套气室中，所述第一镜面与第二镜面的镜间距离d的取值范围为：d＜2R₁，其中，R₁表示外凹面镜的曲率半径。

根据本发明的一个方面，提供了一种确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，在计算设备中执行，嵌套气室如上所述，所述方法包括：基于嵌套气室的第一镜面和第二镜面的镜面参数，建立所述嵌套气室的光学模型；基于预定镜间距离间隔，为第一镜面与第二镜面的镜间距离构建镜间距离数组；基于预定角度间隔，为光线的入射角度构建入射角度数组；对于所述镜间距离数组中的每个镜间距离、以及所述入射角度数组中的每个入射角度，设定光线从预定入射点入射，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑；选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，基于所有候选同心圆形光斑生成候选同心圆形光斑集合；根据所述光学模型确定每种候选同心圆形光斑对应的光程，以便选择符合定光程条件的候选同心圆形光斑作为最优同心圆形光斑。

可选地，在根据本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法中，选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，包括：选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且对应的反射次数在预定反射次数范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑。

可选地，在根据本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，包括：选择单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴小于外凹面镜的尺寸半径的同心圆形光斑，作为初选同心圆形光斑；从所有初选同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑。

可选地，在根据本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法中，设定光线从预定入射点入射，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑，包括：设定光线从预定入射点入射、从所述预定入射点射出，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑。

根据本发明的一个方面，提供了一种计算设备，包括：至少一个处理器；和存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行如上所述方法的指令。

根据本发明的一个方面，提供了一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行如上所述的方法。

本发明提供了一种嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，其中，嵌套气室的两侧镜面共轴相对布置，每侧镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，光线入射嵌套气室后，经多次反射后可在两侧镜面上形成同心圆形光斑。通过在嵌套气室的两侧镜面上形成同心圆形光斑样式，基于同心圆形光斑的轴对称性以及旋转对称性，使得光斑在镜面上分布均匀，镜面利用率高，有利于提高光程体积比，从而能提高探测灵敏度，并且，光束质量高，稳定性好。另外，两侧镜面间距可以设置较大，从而适用于长光程。此外，根据本发明的确定在嵌套气室内形成同心圆形光斑的方法，可以确定出在多反气室内可形成的多种同心圆形光斑的样式，这样，在实际应用过程中可以根据实际所需的光程条件来选择最优的同心圆形光斑样式。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个实施例的计算设备100的结构框图；

图2示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200的结构示意图；

图3a示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200沿x-z方向的投影示意图；

图3b示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200沿x-y方向的投影示意图；

图4示出了Herriott气室的结构示意图；

图5a～图5c示出了嵌套气室形成同心圆形光斑的原理示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例中总反射次数相同、光斑分布密集程度不同的同心圆形光斑的样式图；

图7示出了根据本发明一个实施例中椭圆长轴A值相同、反射次数相近、不同(n,K,m)对应的同心圆形光斑的样式图；

图8示出了入射光的入射角度朝y轴正方向偏移，使得第二个点P1在y方向变化+0.01A时导致图7中同心圆形光斑样式的变化示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法900的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本方案，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明提出的多反气室，两侧镜面共轴相对布置，每侧镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，光线入射嵌套气室后经多次反射后可在两侧镜面上形成同心圆形光斑，基于同心圆形光斑的轴对称性以及旋转对称性，使得光斑在镜面上分布均匀，镜面利用率高，有利于提高光程体积比。另外，在本发明的确定在嵌套气室内形成同心圆形光斑的方法中，利用计算设备对本发明的嵌套气室可形成的同心圆形光斑的样式种类进行了扩展性分析，以便在实际应用过程中根据实际所需的光程条件来选择最优的同心圆形光斑样式。以下首先示出计算设备的一个示例。

图1示出了根据本发明一个实施例的计算设备100的结构框图。

如图1所示，在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。

取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器(μP)、微控制器(μC)、数字信息处理器(DSP)或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元(ALU)、浮点数单元(FPU)、数字信号处理核心(DSP核心)或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118可以与处理器104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器118可以是处理器104的一个内部部分。

取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器(诸如RAM)、非易失性存储器(诸如ROM、闪存等)或者它们的任何组合。系统存储器106可以包括操作系统120、一个或者多个应用122以及程序数据124。在一些实施方式中，应用122可以布置为在操作系统上由一个或多个处理器104利用程序数据124执行指令。

计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备(例如，输出设备142、外设接口144和通信设备146)到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由一个或者多个A/V端口152与诸如显示器或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外设接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于经由一个或者多个I/O端口158和诸如输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备)或者其他外设(例如打印机、扫描仪等)之类的外部设备进行通信。示例的通信设备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。

网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以是这样的信号，它的数据集中的一个或者多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频(RF)、微波、红外(IR)或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存储介质和通信介质二者。

计算设备100可以实现为包括桌面计算机和笔记本计算机配置的个人计算机。当然，计算设备100也可以实现为小尺寸便携(或者移动)电子设备的一部分，这些电子设备可以是诸如蜂窝电话、数码照相机、个人数字助理(PDA)、个人媒体播放器设备、无线网络浏览设备、个人头戴设备、应用专用设备、或者可以包括上面任何功能的混合设备。甚至可以被实现为服务器，如文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和WEB服务器等。本发明的实施例对此均不做限制。

在根据本发明的实施例中，计算设备100被配置为执行根据本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法900。其中，计算设备100的应用122中包含执行根据本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法900的多条程序指令。

图2示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200的结构示意图。图3a示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200沿x-z方向的投影示意图，图3b示出了根据本发明一个实施例的嵌套气室200沿x-y方向的投影示意图。

如图2、图3a所示，嵌套气室200包括共轴相对布置的第一镜面210、第二镜面220。其中，第一镜面210、第二镜面220分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，且外凹面镜和内凹面镜均为圆形。这里，凹面镜具体可以为凹球面反射镜。

参见图2，本发明以第一镜面210、第二镜面220的几何中心连线(也即，所在轴线)的中点为原点O，并以第一镜面210、第二镜面220的几何中心连线所在的直线为z轴，建立了坐标轴。从图3b可以看出，第一镜面210、第二镜面220的投影形状(沿x-y方向的投影形状)为圆形。

在本发明的一个实施例中，第一镜面210与第二镜面220的镜面参数(包括曲率半径、尺寸)相同，因此，第一镜面210与第二镜面220对称布置在两侧。相应地，第一镜面210中的外凹面镜与第二镜面220中的外凹面镜相互对称且镜面参数相同，第一镜面210中的内凹面镜与第二镜面220中的内凹面镜相互对称且镜面参数相同。具体地，每侧镜面的外凹面镜的曲率半径可表示为R₁，尺寸半径可表示为r₁；内凹面镜的曲率半径可表示为R₂，尺寸半径可表示为r₂。

根据本发明的嵌套气室200，第一镜面210或第二镜面220上设有入射孔，经该入射孔入射的光线可以在第一镜面210与第二镜面220之间进行多次反射后射出，并且，如图2所示，光线进行多次反射后可以在第一镜面210、第二镜面220上形成同心圆形光斑。这里，根据光线可逆原理，光线可以在第一镜面210、第二镜面220上分别形成同心圆形光斑，且第一镜面210、第二镜面220上形成的同心圆形光斑相互对称。

需要说明的是，同心圆形光斑包括分布在同心圆上的多个光斑点(即，反射点)，这里，本发明对同心圆的圈数不做限定，同心圆的圈数例如为n。换言之，同心圆形光斑中的所有光斑点分布在(圈数为n的)同心圆上。另外，同心圆的圆心位于第一镜面210和第二镜面220的轴线(即，几何中心连线z轴)上。

在本发明的一个实施例中，如图2、图3a所示，第一镜面210包括共轴嵌套设置的第一外凹面镜211、第一内凹面镜212。第一外凹面镜211上的中心位置开设有第一中心孔，第一内凹面镜212嵌套设置在该第一中心孔内，从而使得第一外凹面镜211与第一内凹面镜212共轴嵌套设置在一起，组合形成完整的第一镜面210。这里，第一外凹面镜211的曲率半径可表示为R₁，第一外凹面镜211的尺寸半径可表示为r₁。第一内凹面镜212的曲率半径可表示为R₂，第一内凹面镜212的尺寸半径可表示为r₂。

第二镜面220包括共轴嵌套设置的第二外凹面镜221、第二内凹面镜222。基于第一镜面210与第二镜面220的镜面参数相同且相互对称，第二外凹面镜221与第一外凹面镜211的镜面参数(曲率半径和尺寸半径)相同，且对称布置；第二内凹面镜222与第一内凹面镜212的镜面参数(曲率半径和尺寸半径)相同，且对称布置。

也就是说，第二镜面220包括共轴嵌套设置的第二外凹面镜221、第二内凹面镜222。第二外凹面镜221上的中心位置开设有第二中心孔，第二内凹面镜222嵌套设置在该第二中心孔内，从而使得第二外凹面镜221与第二内凹面镜222共轴嵌套设置在一起，组合形成完整的第二镜面220。这里，第二外凹面镜221的曲率半径同样可表示为R₁，第二外凹面镜221的尺寸半径可表示为r₁。第二内凹面镜222的曲率半径可表示为R₂，第二内凹面镜222的尺寸半径可表示为r₂。

另外，如图3a所示，C₁，C₂，C₃，C₄分别为第一外凹面镜211、第一内凹面镜212、第二外凹面镜221、第二内凹面镜222的曲率中心。

应当指出，在其他实施例中，也可以通过机床打磨的方式在第一镜面、第二镜面上实现具有不同曲率半径的外凹面镜和内凹面镜，从而无需开孔。

在本发明的一个实施例中，光线在经两侧镜面的两个外凹面镜(在第一外凹面镜211与第二外凹面镜221之间)反射后，可以在第一镜面210和第二镜面220上形成单位半椭圆形光斑。接着，光线在经两侧镜面的两个内凹面镜(在第一内凹面镜212与第二内凹面镜222之间)反射后，可以实现单位半椭圆形光斑绕曲率中心的多次旋转，从而在第一镜面210和第二镜面220上继续形成与(初次形成的第一个)单位半椭圆形光斑旋转对称的多个半椭圆形光斑。这样，基于上述形成的所有半椭圆形光斑，可以组合形成同心圆形光斑(共包含K个半椭圆形光斑)。

应当指出，同心圆形光斑样式是轴对称、旋转对称图形，轴对称、旋转对称图形使得光斑在镜面上分布均匀，镜面利用率高。

可以理解，可以根据单位半椭圆形光斑样式以及旋转次数(共包含的半椭圆形光斑的数量)，来确定同心圆形光斑的具体光斑分布情况。换言之，同心圆形光斑的样式是由单位半椭圆形光斑的样式以及半椭圆形光斑的数量K共同决定。

应当指出，本发明对光线的出射点位置不做限定。例如，第一镜面210或第二镜面220上可以开设出射孔，经该入射孔入射的光线可以在第一镜面210与第二镜面220之间进行多次反射后，可以从第一镜面210或第二镜面220上的出射孔射出。

在一个实施例中，经入射孔入射的光线适于在第一镜面210与第二镜面220之间进行多次反射后，可以从该入射孔射出。从而，光线满足重入条件，即，光线的出射点与入射点位置重合。可以理解，光线在满足重入条件时，在两侧镜面上形成的同心圆形光斑样式是相同的。并且，对于重入同心圆形光斑，光斑在镜面上分布均匀，镜面利用率更高。

为了对在嵌套气室的两侧镜面上形成同心圆形光斑的原理进行说明，下文首先说明Herriott气室的原理。

图4示出了Herriott气室(双球面镜气室)的结构示意图。

如图4所示，Herriott气室包括两个共轴相对放置的球面镜。当两个球面镜的曲率半径相同时，如果光线沿近轴方向入射进气室后与镜面的交点为P_i，并且所有交点(反射点)在镜面上的投影构成椭圆形或圆形光斑样式。这里，交点P_i的坐标表示为(x_i,y_i)，其中，脚标i代表第i次反射，则，交点坐标(x_i,y_i)可以由初始入射点坐标P₀(x₀,y₀)、入射角度θ，第一次反射点坐标P₁(x₁,y₁)、两个镜面的镜间距离d、曲率半径R表示为：

其中，根据下式:

cosθ＝1-d/R.       (3)

公式(1)(2)可改写为：

x_i＝Asin(iθ+γ)     (4)

y_i＝βsin(iθ+β)       (5)

公式(4)(5)中的参数(A,B,β,γ)可由(x₀,y₀,x₁,y₁,d,R)六个变量表示。当入射角度θ与总反射次数i_total的乘积是2pi的整数倍时,即表示为以下公式：

i_totalθ＝2kpi,      (6)

那么，光线经i_total次反射后最终回到入射光位置P₀处，满足重入条件。

另外，当两个球面镜的曲率不同时，jth点的坐标不再能用公式(4)(5)来描述，只能由一次反射得到，即：

其中，曲率半径R是(j-1)th反射点所处镜子的曲率半径。

根据公式(3)将cosθand sinθ用d,R表示，并带入公式(6)(7)中，公式(6)(7)可化简为：

根据公式(9)和(10)可知，经任意曲率的球面镜反射的点的坐标可由(j-1)th反射点坐标P_j-1,(j-2)th反射点坐标P_j-2，P_j-2处的球面镜曲率半径P及镜间距离d表示。

图5a～图5c示出了嵌套气室形成同心圆形光斑的原理示意图。

下面将结合图5a～图5c，来对在嵌套气室的两侧镜面上形成同心圆形光斑的原理进行说明。

根据上文所述，当光线在曲率半径为R₁的双球面镜气室中进行多次反射后，可以在两侧镜面上形成完整的椭圆形光斑。如图5a所示，为了方便计算，要求完整的椭圆形光斑基于长轴和短轴对称，对称性使得椭圆形光斑中的每四个反射点(光斑点)位于以原点为中心的同一个圆上，且共形成圈数为n的同心圆，那么，上述椭圆形光斑对应的总反射次数为4n。

考虑连续两个反射点之间没有其他反射点的情况，即公式(6)中k＝1的情况，并将初始点P₀设在最外圈圆上处于第一象限的点处，那么第1到第n个反射点正好位于第1到第n个同心圆上(从外到内)。根据公式(4)(5)交点P_i在镜面上的投影坐标(x_i,y_i)可表示为：

其中：

A,B分别表示单位半椭圆光斑所在椭圆的长轴及短轴。其中，外凹面镜的曲率半径R₁与两侧镜面的镜间距离d、入射角度θ的关系满足下式：

应当指出，外凹面镜的尺寸半径需满足以下条件：外凹面镜的尺寸半径(r₁)应大于单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴(A)。即，r₁＞A。

如图5a所示，光线在外凹面镜上形成的单位半椭圆形光斑，关于所在椭圆的长轴对称，且单位半椭圆形光斑共包含2n个反射点(形成在两侧镜子上)。

如图5b所示，单位半椭圆形光斑经内凹面镜反射可实现对单位半椭圆形光斑的对称及旋转，图中的直线l为对称轴，角度α为旋转角。

图5c示出的是k＝5,m＝2,α＝4π/5的同心圆形光斑样式。

根据上文可以理解，在本发明的嵌套气室200中，光线在经外凹面镜反射后可以形成单位半椭圆形光斑，且在经内凹面镜反射后，可以实现单位半椭圆形光斑绕曲率中心的多次旋转，从而在第一镜面210和第二镜面220上继续形成与(初次形成的第一个)单位半椭圆形光斑旋转对称的多个半椭圆形光斑。这样，基于所有半椭圆形光斑可以组合得到同心圆形光斑。

其中，在单位半椭圆形光斑中，基于所在椭圆的长轴和短轴对称的每四个光斑点(反射点)，位于以原点为中心的同一个圆上。

单位半椭圆形光斑包含2n个光斑点。同心圆形光斑对应的(总)反射次数(也即，同心圆形光斑包含的反射点总数)为2nk。其中，n表示同心圆形光斑的圈数，k表示同心圆形光斑包含的半椭圆形光斑的数量。

可以理解，同心圆的每个圆上具有完整椭圆形光斑的4个反射点，因此，完整椭圆形光斑包括4n个反射点(对应的反射次数为4n)，单位半椭圆形光斑包括2n个反射点。

还应当指出的是，根据本发明的实施例，内凹面镜(尺寸半径r₂)的周线应位于同心圆形光斑中的最内侧的两个圆中间(即，第n圈与第n-1圈的圆中间)。即，满足下式

为第i个点距镜心的距离。这里，需要说明的是，第n点是光束第一次到达内凹面镜上形成的交点，经反射后产生新的反射点P’_i。当第n点与第n+1点的位置距轴心距离相等时，根据光线可逆原理形成的两个半椭圆形光斑轴对称，又因为半椭圆形光斑自身也是轴对称图型，故这两个半椭圆形光斑具有旋转对称关系(参见图5b)，这种对称性保证半椭圆形光斑实现多次旋转。

新的第n+1点坐标P′_n+1(x′_n+1,y′_n+1)可由(n-1)th、n th反射点坐标、内凹面镜的曲率半径R₂以及第一镜面210与第二镜面220的镜间距离d来表示：

如图5b所示，根据两个半椭圆形光斑之间的旋转对称关系，半椭圆形光斑1绕z轴旋转α可与半椭圆形光斑2重合，P′_n+1的坐标可表示为：

x′_n+1＝x_3n+1cosα-y_3n+1sinα     (17)

y′_n+1＝x_3n+1sinα+y_3n+1cosα     (18)

将公式(15)(16)与公式(17)(18)联立，并根据公式(11)(12)将位置坐标(x_i,y_i)用(A,B,θ)表示，最终，可以求解出内凹面镜的曲率半径R₂与椭圆短轴长轴之比B/A的关系表达式为：

因|B/A|<1，且稳定性条件为d<2R，故：

为满足重入条件，每连续两个半椭圆形光斑之间的角度间隔α与整数K的乘积，应是2π的整数倍，即满足下式：

Kα＝2mπ,       (21)

其中K,m互质。相邻两半椭圆角度间隔为2π/K，连续两个半椭圆形光斑由m个角度间隔(m-1个半椭圆)分开，连续两个半椭圆形光斑之间的角度α＝2mπ/K。图5c中展示了K＝5，m＝2,α＝4π/5时的重入同心圆形光斑样式。

综上，嵌套气室的参数(r₁,r₂,R₁,R₂,P₀,P₁)都可以由变量(A,α,θ,d)来表示，变量A,α,θ是表征同心圆形光斑特征的参数，它们分别表征图形大小、点疏密及同心圆圈数。

根据上述公式

及公式Kα＝2mπ可知，α,θ可以表示为(n,K,m)的函数，从而，在嵌套气室设计过程中，可以根据具体的同心圆形光斑样式，选择合适的气室参数进行气室设计。

需要说明的是，镜面利用率、出射光的光束质量、气室的机械鲁棒性，是衡量气室应用于TDLAS气体测量中的重要指标。更高的镜面利用率可以提升气体检测的精度，而气室的机械鲁棒性能够衡量气室在环境变化时维持设备性能的能力，因此，这些是气室实际应用时需要考虑的重要问题。根据上文所述的同心圆形光斑的特征参数与气室参数的对应关系，其中，参数椭圆长轴A值只能使得光斑大小成比例缩放，并不影响镜面利用率等气室性能。因此，下文探究了同心圆形光斑特征参数(n,K,m)对气室性能产生的影响，并通过数值模拟的方式对结果进行了清晰直观的展示。

高镜面利用率可以在避免光斑重叠的条件下提升光程体积比，主要由光斑总数及光斑在镜子上的分布情况决定。同心圆形光斑对应的总反射数，由单位半椭圆形光斑包含的光斑点数2n与半椭圆形光斑的数量K相乘得到，即i_total＝2nK。半椭圆形光斑的数量K一定时，同心圆形光斑的圈数n越大，单位半椭圆形光斑上的光斑点数2n越多，反射次数越多。当单位半椭圆形光斑包含的光斑点数2n及半椭圆形光斑的数量K一定时，即在相同反射次数下，如果单位半椭圆形光斑所在椭圆的长短轴之比B/A不同，同心圆形光斑的样式分布也不同(同心圆间距不同)。

图6示出了根据本发明一个实施例中总反射次数相同、光斑分布密集程度不同的同心圆形光斑的样式图。其中，同心圆形光斑镜面利用率不同的原因是变量B/A的值是旋转角度α的函数。在满足重入条件的基础上，由公式Kα＝2mπ可知，当半椭圆形光斑的数量K确定时，光斑可能对应多种重入方式。

以n＝4，K＝11为例，m的取值可以是2到5。图6中展示了m取值分别为2，3，4，5时对应的不同重入情况下的同心圆形光斑样式。由此可以看出，m在取值范围内尽可能接近于K时，对应的B/A值越小，同心圆形光斑的圆间距越大，光斑分布更均匀，镜面利用率越高。

另外，图7示出了根据本发明一个实施例中椭圆长轴A值相同、反射次数相近、不同(n,K,m)对应的同心圆形光斑的样式图，其中对应的反射次数分别为128，132，128，130。

此外，图8示出了入射光的入射角度朝y轴正方向偏移，使得第二个点P1在y方向变化+0.01A时导致图7中同心圆形光斑样式的变化示意图。入射角度在其他方向上偏离时也有类似的结果。可见，对于满足重入条件的同心圆形光斑样式而言，出射光位置的稳定性很好，抗干扰能力强。而对于整体光斑而言，n越小整体光斑变形越小，因此对于同心圆形光斑的圈数n选取不宜偏大，以避免气室鲁棒性下降。

基于此，本发明提出了一种确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法900。

图9示出了根据本发明一个实施例的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法900的流程示意图。嵌套气室即如上所述的嵌套气室200。方法900适于在计算设备(例如前述计算设备100)中执行。

如图9所示，方法始于步骤910。

在步骤910中，基于嵌套气室200的第一镜面210和第二镜面220的镜面参数，建立嵌套气室的光学模型。这里，第一镜面210和第二镜面220的镜面参数相同，如前文所述，镜面参数包括：外凹面镜的曲率半径R₁和尺寸半径r₁、内凹面镜的曲率半径R₂和尺寸半径r₂。

随后，在步骤920中，可以基于预定镜间距离间隔，为第一镜面210与第二镜面220的镜间距离d构建镜间距离数组。在一个实施例中，镜间距离d的取值范围可以为：d＜2R₁，其中，R₁表示外凹面镜的曲率半径。

在步骤930中，可以基于预定角度间隔，为光线的入射角度θ构建入射角度数组。

接着，在步骤940中，对于镜间距离数组中的每个镜间距离、以及入射角度数组中的每个入射角度，分别可以设定光线从预定入射点入射，并根据上述建立的光学模型来确定光线在第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑的样式。

接下来，在步骤950中，可以从上述确定的各种样式的所有同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，将根据上述条件选择的所有同心圆形光斑作为候选同心圆形光斑，基于所有候选同心圆形光斑生成候选同心圆形光斑集合。

这里，预定圆间距范围的设定是根据：在满足重入条件时，m在取值范围内尽可能接近K，对应的B/A值越小，同心圆形光斑的圆间距越大，可以使光斑分布越均匀，镜面利用率越高。

最后，在步骤960中，根据上述光学模型，来确定候选同心圆形光斑集合中的每种候选同心圆形光斑对应的光程，进而可以选择符合定光程条件的候选同心圆形光斑，来作为最优同心圆形光斑。

这里，可以理解，符合光程条件的候选同心圆形光斑，可以是对应光程在目标光程范围内的候选同心圆形光斑。而目标光程范围可以根据实际需求来设置，通过合理设置目标光程范围，以使嵌套气室的光程体积比尽可能高。

在一个实施例中，可以进一步根据反射次数来限定候选同心圆形光斑的选择条件。如前文所述，同心圆形光斑对应的反射次数为2nK(也即，同心圆形光斑包含的光斑点数)，可以将反射次数设定在预定反射次数范围内。可以理解，反射次数2nK与同心圆形光斑的圈数n、半椭圆形光斑的数量K相关。

具体地，在步骤950中，可以从上述确定的各种样式的所有同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且对应的反射次数2nK在预定反射次数范围内的同心圆形光斑，来作为候选同心圆形光斑。

这里，对于预定圈数范围、预定反射次数范围的设定，需要考虑反射次数相近时，同心圆形光斑的圈数n越大，每圈光斑的分布越均匀，光斑间距也越大，但，应当注意，n太大会导致气室鲁棒性下降，故而，圈数n的取值不宜过大或过小。另外，对于预定反射次数范围的设定，还需要考虑反射次数过多会导致光路重合的问题。

在其他实施例中，也可以直接限定半椭圆形光斑的数量K(与半椭圆形光斑的旋转角度和m有关)的范围。例如，可以从上述确定的各种样式的所有同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且同心圆形光斑包含的半椭圆形光斑的数量K在预定数量范围内的同心圆形光斑，来作为候选同心圆形光斑。

还需要说明的是，为了确保能够在两侧镜面上形成完整的同心圆形光斑，需要满足的基础条件包括：外凹面镜的尺寸半径(r₁)应大于单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴(A)，即，r₁＞A。

基于此，在一个实施例中，在步骤950中，可以首先选择单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴A小于外凹面镜的尺寸半径r₁的同心圆形光斑，来作为初选同心圆形光斑(满足上述基础条件)。进而，可以从所有初选同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，来作为候选同心圆形光斑。

在该实施例中，还可以从所有初选同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且对应的反射次数2nK在预定反射次数范围内的同心圆形光斑，来作为候选同心圆形光斑。

在该实施例中，还可以从所有初选同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且同心圆形光斑包含的半椭圆形光斑的数量K在预定数量范围内的同心圆形光斑，来作为候选同心圆形光斑。

此外，考虑到对于满足重入条件的同心圆形光斑样式而言，出射光位置的稳定性很好，抗干扰能力强。因此，在一个实施例中，为了确保满足重入条件，在步骤940中，对于镜间距离数组中的每个镜间距离、以及入射角度数组中的每个入射角度，可以设定光线从预定入射点入射、以及从该预定入射点射出，并根据光学模型确定光线在第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑。

根据本发明的嵌套气室及确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，嵌套气室的两侧镜面共轴相对布置，每侧镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，光线入射嵌套气室后，经多次反射后可在两侧镜面上形成同心圆形光斑。通过在嵌套气室的两侧镜面上形成同心圆形光斑样式，基于同心圆形光斑的轴对称性以及旋转对称性，使得光斑在镜面上分布均匀，镜面利用率高，有利于提高光程体积比，从而能提高探测灵敏度，并且，光束质量高，稳定性好。另外，两侧镜面间距可以设置较大，从而适用于长光程。此外，根据本发明的确定在嵌套气室内形成同心圆形光斑的方法，可以确定出在多反气室内可形成的多种同心圆形光斑的样式，这样，在实际应用过程中可以根据实际所需的光程条件来选择最优的同心圆形光斑样式。

A8、如A1-A7中任一项所述的嵌套气室，其中，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后，从所述入射孔射出。

A9、如A1-A8中任一项所述的嵌套气室，其中，所述第一镜面与第二镜面的镜间距离d的取值范围为：d＜2R₁，其中，R₁表示外凹面镜的曲率半径。

B11、如B10所述的方法，其中，选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，包括：选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内、且对应的反射次数在预定反射次数范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑。

B12、如B10或B11所述的方法，其中，选择同心圆形光斑的圈数n在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，包括：选择单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴小于外凹面镜的尺寸半径的同心圆形光斑，作为初选同心圆形光斑；从所有初选同心圆形光斑中，选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑。

B13、如B10-B12中任一项所述的方法，其中，设定光线从预定入射点入射，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑，包括：设定光线从预定入射点入射、从所述预定入射点射出，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑。

这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如可移动硬盘、U盘、软盘、CD-ROM或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被所述机器执行时，所述机器变成实践本发明的设备。

在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，移动终端一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的所述程序代码中的指令，执行本发明的确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法。

以示例而非限制的方式，可读介质包括可读存储介质和通信介质。可读存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在可读介质的范围之内。

在此处所提供的说明书中，算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与本发明的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。

Claims (10)

1.一种嵌套气室，包括共轴相对布置的第一镜面、第二镜面，其中：

所述第一镜面、第二镜面分别包括共轴嵌套设置的外凹面镜和内凹面镜，所述外凹面镜和内凹面镜均为圆形；

所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成同心圆形光斑。

2.如权利要求1所述的嵌套气室，其中，所述第一镜面与第二镜面的镜面参数相同；

所述第一镜面包括共轴嵌套设置的第一外凹面镜和第一内凹面镜，其中，所述第一外凹面镜上设有第一中心孔，所述第一内凹面镜嵌套设置在所述第一中心孔内；

所述第二镜面包括共轴嵌套设置的第二外凹面镜和第二内凹面镜，其中，所述第二外凹面镜上设有第二中心孔，所述第二内凹面镜嵌套设置在所述第二中心孔内。

3.如权利要求1或2所述的嵌套气室，其中，

所述光线在经所述外凹面镜反射后，适于在所述第一镜面和第二镜面上形成单位半椭圆形光斑，并在经所述内凹面镜反射后，适于在所述第一镜面和第二镜面上形成与所述单位半椭圆形光斑旋转对称的多个半椭圆形光斑，以便基于所有半椭圆形光斑组合形成所述同心圆形光斑。

4.如权利要求3所述的嵌套气室，其中，

所述单位半椭圆形光斑中，基于所在椭圆的长轴和短轴对称的每四个光斑点，位于同一个圆上；

所述单位半椭圆形光斑包含2n个光斑点，其中，n表示所述同心圆形光斑的圈数；

所述同心圆形光斑对应的反射次数为2nk，其中，k表示所述同心圆形光斑包含的半椭圆形光斑的数量。

5.如权利要求3或4所述的嵌套气室，其中，

所述外凹面镜的尺寸半径大于所述单位半椭圆形光斑所在椭圆的长轴。

6.如权利要求1-5中任一项所述的嵌套气室，其中，

所述同心圆形光斑中的所有光斑点分布在同心圆上，且圆心位于所述第一镜面和第二镜面的轴线上。

7.如权利要求1-6中任一项所述的嵌套气室，其中，

所述内凹面镜的周线位于所述同心圆形光斑中的最内侧的两个圆中间。

8.一种确定在嵌套气室形成同心圆形光斑的方法，在计算设备中执行，包括：

基于嵌套气室的第一镜面和第二镜面的镜面参数，建立所述嵌套气室的光学模型；

基于预定镜间距离间隔，为第一镜面与第二镜面的镜间距离构建镜间距离数组；

基于预定角度间隔，为光线的入射角度构建入射角度数组；

对于所述镜间距离数组中的每个镜间距离、以及所述入射角度数组中的每个入射角度，设定光线从预定入射点入射，并根据所述光学模型确定光线在所述第一镜面和第二镜面上形成的同心圆形光斑；

选择同心圆形光斑的圈数在预定圈数范围内、且同心圆形光斑的圆间距在预定圆间距范围内的同心圆形光斑，作为候选同心圆形光斑，基于所有候选同心圆形光斑生成候选同心圆形光斑集合；

根据所述光学模型确定每种候选同心圆形光斑对应的光程，以便选择符合定光程条件的候选同心圆形光斑作为最优同心圆形光斑。

9.一种计算设备，包括：

至少一个处理器；和

存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行如权利要求8所述方法的指令。

10.一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行如权利要求8所述的方法。

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