CN202033282U - 一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统 - Google Patents

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刘航
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张晓清
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Abstract

本实用新型公开了一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，所述聚焦透镜位于所述非球面的光束整形透镜出射的光路上,所述孔径光阑位于所述聚焦透镜的焦点处，与所述聚焦透镜构成一空间滤波器,所述聚焦透镜组依次位于所述孔径光阑的光路上，用于将紫外光束进行聚焦，焦点位于所述椭球镜的一个焦点处，且位于所述上喷嘴的下方；所述雪崩二极管位于所述第一椭球面反射镜的另一个焦点处，所述光电倍增管位于所述第二反射镜的另一个焦点处，通过采用优化的光路设计，既最大限度的减少了光能的损耗，又能将光束发散角校正到实际使用的要求范围，能够产生较理想的单光斑，从而提高仪器的检测灵敏度。

Description

一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统
技术领域
本发明涉及生物检测领域，具体而言，涉及一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统。
背景技术
生物气溶胶中的生物粒子在紫外光的照射下，会产生荧光和散射光，通过测量产生的荧光可得知生物气溶胶的生物特性，而散射光的光强可以用来确定生物气溶胶粒子的粒径。
现有的生物气溶胶单粒子检测装置(例如美国的TSI3312紫外激光空气动力学生物气溶胶粒子计数器)可以实时在线检测空气中是否具有生物气溶胶粒子以及生物气溶胶粒子的浓度和数量。
但现有的生物气溶胶粒子检测装置存在的问题是：紫外光源大都采用激光器，其中固体激光器虽性能较好，但是其体积大、价格贵、操作复杂，不利于仪器的小型化和推广；300-400nm的紫外半导体激光器目前处于研制阶段，尚难投入使用；而大功率的紫外LED由于其体积小、价格低，目前已在显示和光学检测仪器中被广泛使用，但是其较大的光束发散角限制了其在高精度检测仪器中的应用。
实用新型内容
本实用新型为了克服上诉在先技术的缺点，提供了一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，该系统采用大功率的紫外LED做光源，并通过最优光路设计将光斑进行了很好的整形、聚焦，既能达到便携式和低成本的目的，又不影响气溶胶粒子各技术指标的检测和精度。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其包括：紫外光源、非球面的光束整形透镜、聚焦透镜、孔径光阑、聚焦透镜组、椭球镜、上喷嘴、第一椭球面反射镜、第二椭球面反射镜、雪崩二极管和光电倍增管，其中
非球面的光束整形透镜位于紫外光源的光路上，用于压缩紫外光源发射的紫外光的发散角；
聚焦透镜位于非球面的光束整形透镜出射的光路上，用于对紫外光进行聚焦；
孔径光阑位于聚焦透镜的焦点处，与聚焦透镜构成一空间滤波器，用于消除光束中分布的杂散光；
聚焦透镜组依次位于孔径光阑的光路上，用于将紫外光束进行聚焦，焦点位于椭球镜的一个焦点处，且位于上喷嘴的下方；
上喷嘴与气路系统相连接，待检测的气溶胶颗粒通过气路系统由上喷嘴进入检测区，其中，上喷嘴与光路相垂直，其交点处的区域即为检测区；
第一椭球面反射镜的一个焦点和第二椭球面反射镜的一个焦点重合且位于检测区，第一椭球面反射镜用于收集散射光，第二椭球面反射镜用于收集荧光；
雪崩二极管位于第一椭球面反射镜的另一个焦点处，用于探测第一反射镜收集的散射光，并将其传送至控制及数据处理电路；
光电倍增管位于第二反射镜的另一个焦点处，用于探测第二反射镜收集的荧光，并将其传送至控制及数据处理电路。
较佳的，紫外光源为发光二极管。
较佳的，上述便携式生物气溶胶单粒子检测光路系统还包括：
柱面镜，其位于聚焦透镜组和椭球镜之间。
较佳的，上述便携式生物气溶胶单粒子检测光路系统还包括：
消光器，其位于检测区后的光路上。
较佳的，上述光电倍增管前加装了滤光片，滤光片的透射光谱范围为400-600nm。
较佳的，上述聚焦透镜组中透镜的数目为4个。
上述实施例与现有技术相比，其整体结构简单，易调节，功耗大幅降低，检测灵敏度较高，使得整机更易实现便携、小型化。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统的示意图；
图2为本实用新型一个实施例的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统中孔径光阑滤除杂散光的效果对比；
图3为本实用新型一个实施例的荧光、散射光收集检测光路系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的具体光路结构如图1所示，主要有紫外激光照明光路、散射光收集光路和荧光收集光路，其技术解决方案如下：
①照明系统的光源为更加小型化的发光二极管(LED)，可为该检测光路系统提供可长时间连续工作的光源，该光源发出的光束波长介于300-400nm之间，功率亦可满足最终检测的需要，其光束发散角在80-120°之间。
②光束整形透镜组采用最简单的光路设计，既最大限度的减少了光能的损耗，又能将光束发散角校正到实际使用的要求范围。
③单光斑整形聚焦透镜组采用最优化的光路设计，能够产生较理想的单光斑，从而提高仪器的检测灵敏度。
所述的实用新型与现有技术相比，其整体结构简单，易调节，功耗大幅降低，检测灵敏度较高，使得整机更易实现便携、小型化。
本实用新型中的便携式生物气溶胶单粒子检测光路系统包括紫外光发射器、光束整形单元、单光斑整形聚焦单元、收集检测单元、气路单元，且照明光路单元、收集检测单元和气路单元相互垂直。
图1为本实用新型便携式生物气溶胶单粒子检测光路系统的示意图，由图1可以看出，发光二极管(LED)1发出一束发散角较大的紫外光，经非球面设计的光束整形透镜2后，紫外光束的发散角被明显的压缩，形成一束发散角较小的光束。该光束再经过透镜3聚焦，在其焦点位置处放置一孔径光阑，该孔径光阑与透镜3构成一个空间滤波器，用来消除光束中分布的杂散光，以此来提高系统的检测精度。为达到最佳的滤波效果，必须选用合适的光阑孔径规格，其光阑孔径大小的具体确定算法如下：理想孔径光阑尺寸：
Figure BDA0000056265010000041
式中：DP(min)——理想孔径最小尺寸；
F——透镜3焦距；
λ——光源光波长；
DL——光束直径。
从上述公式可以看出，孔径光阑的通光孔径与聚焦透镜的焦距、光源光波长和光束直径有关，考虑到光源能量的损耗，实际孔径光阑的通光孔径应为理想通光孔径的2-5倍。
图2为本实用新型便携式生物气溶胶单粒子检测光路系统中孔径光阑滤除杂散光的效果对比。由图2可以看出，加装孔径光阑前，可以观察到光斑中含有较多的不均匀光点，这些杂散光斑会对最终的检测精度造成较大的影响；而在加装孔径光阑后，出射的光束质量明显得到改善，并将检测区的光斑整形为10-30μm宽的细长光斑，光路系统的检测精度也得到了较大的提高。
上述滤除杂光后的光束依次通过透镜5、6、7、8进行聚焦，焦点位于散射光和荧光收集椭球镜10的第一焦点处(上喷嘴11下方)，由于实际检测的需要，在透镜8和椭球镜10之间需放置柱面镜9，用于将焦点处的光斑整形为一个细长的光斑，增大其与检测气样的接触面积。消光器12用于消除紫外光与生物粒子作用后剩余的光线散射进入光路系统对检测结果造成的不良影响。喷嘴11与气路系统相连，待检测的气溶胶颗粒通过气路系统由喷嘴11进入检测区，与光路系统相互作用进行探测。具体的荧光、散射光收集检测过程将在下面的内容中详细描述。
图3为本实用新型荧光、散射光收集检测光路系统的示意图，由图3可以看出，经整形聚焦透镜5、6、7、8和柱面镜9整形后的紫外光在第一椭球面反射镜13和第二椭球面反射镜14的第一焦点处(上喷嘴11下方)形成一个细长的光斑，当生物气溶胶粒子通过上喷嘴喷出时，便会与紫外光斑相互作用产生散射光和荧光。第一椭球面反射镜13用来收集荧光，在第一椭球面反射镜13的另一个焦点处聚焦，经整形后送入光电倍增管(PMT)15中进行探测；第二椭球面反射镜14用来收集散射光，并在其另一个焦点处放置雪崩二极管(APD)16用来探测散射信号。由雪崩二极管(APD)16和光电倍增管(PMT)15探测所得的电信号，最后送入控制及数据处理电路中进行信号的处理。
例如，上述光电倍增管前加装了滤光片，其透射光谱范围为400-600nm，用于滤除收集系统收集的较强紫外光。
本实用新型所述的光学结构，将照明光源改为LED，采用最优化的光路设计将光束整形为可进行单粒子检测的单光斑。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其特征在于，包括：紫外光源、非球面的光束整形透镜、聚焦透镜、孔径光阑、聚焦透镜组、椭球镜、上喷嘴、第一椭球面反射镜、第二椭球面反射镜、雪崩二极管和光电倍增管，其中
所述非球面的光束整形透镜位于所述紫外光源的光路上，用于压缩所述紫外光源发射的紫外光的发散角；
所述聚焦透镜位于所述非球面的光束整形透镜出射的光路上，用于对所述紫外光进行聚焦；
所述孔径光阑位于所述聚焦透镜的焦点处，与所述聚焦透镜构成一空间滤波器，用于消除光束中分布的杂散光；
所述聚焦透镜组依次位于所述孔径光阑的光路上，用于将紫外光束进行聚焦，焦点位于所述椭球镜的一个焦点处，且位于所述上喷嘴的下方；
所述上喷嘴与气路系统相连接，待检测的气溶胶颗粒通过气路系统由所述上喷嘴进入检测区，其中，所述上喷嘴与光路相垂直，其交点处的区域即为所述检测区；
所述第一椭球面反射镜的一个焦点和所述第二椭球面反射镜的一个焦点重合且位于所述检测区，所述第一椭球面反射镜用于收集散射光，所述第二椭球面反射镜用于收集荧光；
所述雪崩二极管位于所述第一椭球面反射镜的另一个焦点处，用于探测所述第一反射镜收集的散射光，并将其传送至控制及数据处理电路；
所述光电倍增管位于所述第二反射镜的另一个焦点处，用于探测所述第二反射镜收集的荧光，并将其传送至所述控制及数据处理电路。
2.根据权利要求1所述的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系 统，其特征在于，所述紫外光源为发光二极管。
3.根据权利要求1所述的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其特征在于，还包括：
柱面镜，其位于所述聚焦透镜组和所述椭球镜之间。
4.根据权利要求1所述的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其特征在于，还包括：
消光器，其位于所述检测区后的光路上。
5.根据权利要求1所述的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其特征在于，所述光电倍增管前加装有滤光片，所述滤光片的透射光谱范围为400-600nm。
6.根据权利要求1所述的用于便携式生物气溶胶单粒子检测仪的光路系统，其特征在于，所述聚焦透镜组中透镜的数目为4个。 
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