CN217466667U - 一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及大气检测领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统，其中，包括：激光发射单元、光线接收单元和超透镜光束调制单元；激光发射单元生成发射光，发射光经过超透镜光束调制单元进行准直后入射到大气中，并与大气发生散射作用后产生散射光；散射光中的后向散射光入射到超透镜光束调制单元后，超透镜光束调制单元对后向散射光进行汇聚形成汇聚光线，光线接收单元对汇聚光线进行接收；其中，发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠。通过本实用新型实施例中发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，使得光线接收单元与激光发射单元能够同轴设置，消除了激光雷达大气检测系统中光学检测设备的检测盲区。

Description

一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统

技术领域

本实用新型涉及超透镜应用领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统。

背景技术

目前，对大气中的气溶胶、二氧化碳等成分的检测对环境污染防控和天气预测有着重要意义。激光雷达大气检测系统在对大气中的气溶胶和二氧化碳等成分的检测中具有广泛应用。

通常的激光雷达大气检测系统中，发射系统与接收系统是双轴并向设置的，双轴并向设置的发射系统和接收系统由于空间位置不可避免的错位设置，导致激光雷达大气检测系统无法对低空区域的大气情况进行检测。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统。

第一方面，本申请提供一种基于超透镜的光学检测设备，包括：激光发射单元、光线接收单元和超透镜光束调制单元；

所述激光发射单元生成发射光，所述发射光经过所述超透镜光束调制单元进行准直后入射到大气中，并与所述大气发生散射作用后产生散射光；

所述散射光中的后向散射光入射到所述超透镜光束调制单元后，所述超透镜光束调制单元对所述后向散射光进行汇聚形成汇聚光线，所述光线接收单元对所述汇聚光线进行接收；其中，所述发射光的光轴与所述汇聚光线的光轴重叠。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种大气检测系统，包括：上述第一方面所述的基于超透镜的光学检测设备。

本实用新型上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过在光学检测设备中设置超透镜光束调制单元，超透镜光束调制单元对激光发射单元发出的发射光进行准直，并将准直后的发射光进入大气后产生的散射光汇聚后得到汇聚光线，光线接收单元对汇聚光线进行接收，且发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠。与相关技术中激光雷达大气检测系统中双轴并向设置的发射系统和接收系统相比，本技术实施例发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，使得光线接收单元与激光发射单元能够同轴设置，消除了激光雷达大气检测系统中光学检测设备的检测盲区，扩大了检测区域范围，实现了对全空域范围内大气的充分检测。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的光学检测设备的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的光学检测设备中，复用超透镜的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的光学检测设备中，分光单元将不同波长接收光反射进不同探测装置的示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的光学检测设备中，复用超透镜所使用的正六边形超表面结构单元排布图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的光学检测设备中，复用超透镜所使用的正方形超表面结构单元排布图。

图标：1、复用超透镜；2、物镜支架；3、扩束镜；4、激光发射单元；5、望远目镜；6、分光单元；7、探测装置；101、光线准直单元；102、光线汇聚单元

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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。由此，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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

目前，在对环境污染防控和天气预测领域，对大气中的气溶胶、二氧化碳等成分的检测是非常重要的必要环节。现有技术中通常采用激光雷达大气检测系统对大气中的气溶胶和二氧化碳等成分进行检测。而现有技术中的激光雷达大气检测系统中发射系统与接收系统是双轴并向设置的，双轴并向设置的发射系统和接收系统受到设备本身设备体积的制约，不可避免的必须要进行错位设置，错位设置的接收系统在低空域会形成检测盲区，这就导致检测盲区的部分散射光不能被接收系统所接收，从而导致激光雷达大气检测系统无法对低空区域的大气情况进行精准检测。

基于此，本实施例提出一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统，通过在光学检测设备中设置超透镜光束调制单元，超透镜光束调制单元对激光发射单元发出的发射光进行准直，并将大气产生的散射光汇聚后得到汇聚光线，光线接收单元对汇聚光线进行接收，发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，由于发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，使得光线接收单元与激光发射单元能够同轴设置，消除了激光雷达大气检测系统中光学检测设备的检测盲区，扩大了检测区域范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参照图1所示一种基于超透镜的光学检测设备的结构示意图，本实施例提出一种基于超透镜的光学检测设备，包括：激光发射单元4、光线接收单元和超透镜光束调制单元；激光发射单元4生成发射光，发射光经过超透镜光束调制单元进行准直后入射到大气中，并与大气发生散射作用后产生散射光。

超透镜光束调制单元包括复用超透镜1，该复用超透镜1靠近激光发射单元4的一侧设置光线准直单元101，远离激光发射单元4的一侧设置汇聚单元102；通过在一片复用超透镜上设置光线准直单元101和汇聚单元102能够实现对发射光和会聚光进行同平面调制的功能，增大了设备设置的空间自由度，有利于设备小型化。

具体地，激光发射单元4包括光源和扩束镜3；光源可以是单波长激光器或者是多波长激光器组；扩束镜3对光源发出的光线进行扩束后生成发射光。

在一个实施方式中，发射光为呈指定角度的发散光；该发散光经过超透镜光束调制单元的光线准直单元101进行准直后入射到大气中；扩束镜3设置在光源与复用超透镜之间；所指指定角度为发射光经过扩束镜3进行扩束后生成的光线角度，该角度可通过调节扩束镜3的偏转角度进行控制。

可选的，扩束镜3为开普勒扩束镜或者伽利略扩束镜。

可选的，激光发射单元4还可以包括滤光片，该滤光片可对光源发出的激光进行杂光滤除，提高最终检测结果的精准度。

进一步地，扩束镜3与复用超透镜之间的距离满足以下第一限定关系；

f_col+f_enl＝d (1)

可选地，经过扩束镜3扩束后，发射光与光源发出的光线相比的扩大倍数K满足如下公式2：

其中，d表示扩束镜到复用超透镜的距离，f_col表示复用超透镜的光线准直单元的焦距，f_enl表示扩束镜的焦距。

发射光在大气分子中发生散射作用后产生散射光，发射光在大气分子中发生散射作用生成的散射光的传播方向多样，通常情况下，散射后传播方向与发射光入射方向之间的偏转角度在90°至270°之间的散射光会作为后向散射光入射到复用超透镜，被复用超透镜1进行汇聚。

上述散射作用包括但不限于：米氏散射、瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。为本领域技术人员所熟知的是，米氏散射和瑞利散射为弹性碰撞，没有能量交换，光束的频率不会改变；拉曼散射和布里渊散射为非弹性碰撞，存在能量交换，光束的频率发生斯托克斯位移或反斯托克斯位移。

具体的，发射光与大气中不同分子发生碰撞后会生成不同波长的散射光。以355纳米(nm)波长的发射光为例，发射光在大气中发生拉曼散射，产生振动拉曼光谱，拉曼散射后散射光的波长可以为：376nm、386nm、406nm等，其中376nm的散射波为发射光遇到O₂后的散射回波波长，386nm的散射波为发射光遇到N₂后的散射回波波长，406nm的散射波为发射光遇到H₂O后的散射回波波长。可以通过检测大气中的微粒(烟、雾以及小水滴等)引起的米氏散射回波的偏振态判断粒子是球形粒子还是非球形粒子。

后向散射光入射到超透镜光束调制单元时，汇聚单元102对散射光中入射到所述超透镜光束调制单元中的后向散射光进行汇聚，汇聚单元102可改变包含不同波长的散射光束的传播方向，即复用超透镜1的汇聚单元102具有波长选择性，复用超透镜1的汇聚单元102将入射的后向散射光进行汇聚，并对后向散射光中的非预定波段的光进行反射。也就是说，不同波长的散射光束在经过汇聚单元102汇聚后生成的汇聚光线包括不同波长的光线。复用超透镜汇聚单元102具有的波长选择性可以对接收到的后向散射光中的非预定波段的光线不进行汇聚而进行反射，从而提高后续大气检测时的检测精度。所指预定波段为汇聚单元102可进行汇聚的光线波长的集合。

为了对复用超透镜进行安装，本实施例提出的基于超透镜的光学检测设备，还包括：望远物镜；望远物镜为收集来自远方目标的光线,并把远方目标的倒立、缩小的像成在焦平面附近的装置，在本方案中望远物镜是对发射光和接收光进行调制的装置，在一个实施方式中，所述望远物镜包括：物镜支架2、复用超透镜1、扩束镜3和光源4。

在望远物镜中，光源4和扩束镜3设置在物镜支架2内，所述复用超透镜1安装在所述物镜支架2的上方，也就是说光源4、扩束镜3以及物镜支架2和复用超透镜1组成了望远物镜，由此实现了设备的小型化。

为了将汇聚光线中具有不同波长的光线光电转换为电信号，本实施例提出的所述基于超透镜的光学检测设备还包括：光线接收单元。

具体的，光线接收单元包括：望远目镜5、分光单元6和至少两个探测装置7；望远目镜5接收到汇聚光线后，分别对汇聚光线中具有不同波长的光线进行准直。参照图3所示的分光单元将不同波长接收光反射进不同探测装置的示意图，被准直后的汇聚光线中具有不同波长的光线入射到分光单元6后，被分光单元6根据不同波长光线对应的反射角度将入射的不同波长的光线分别反射多个探测装置7中，从而使得光线接收单元完成对汇聚光线的接收。

可选地，分光单元6为超表面，该超表面可对不同的频率(波长)的光线进行相位调制，将接收到的汇聚光线中不同波长的光线分别反射向不同的角度，被反射到不同角度的汇聚光线中不同波长的光线分别被设置在光线反射方向上的探测装置接收，从而实现了基于超透镜的光学检测设备对汇聚光线中的米氏散射作用产生的散射光、拉曼散射作用产生的散射光等多种散射光的检测，提高了系统的集成度。

可选的，所述探测装置7可以采用但不限于：光电倍增管和雪崩二极管。

当然，所述探测装置还可以采用现有技术中的任何具有对不同波长光线进行探测功能的光电器件，这里不再一一赘述。

进一步地，复用超透镜中汇聚单元的焦平面与望远目镜5的焦平面是重合的，因此汇聚光线经过望远目镜5准直后照在分光单元6上，分光单元6将汇聚光线中不同波长的光线分别反射进不同的探测装置7中，更进一步地，为了提高望远目镜接收汇聚光线的效率，望远目镜5与复用超透镜1之间的距离满足以下第二限定关系：

f_con+f_ey＝D (3)

其中，D表示复用超透镜到望远目镜之间的距离，f_con为复用超透镜的汇聚单元的焦距，f_ey表示望远目镜的焦距。

散射光中的后向散射光入射到超透镜光束调制单元后，超透镜光束调制单元对后向散射光进行汇聚形成汇聚光线，光线接收单元对汇聚光线进行接收；其中，发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠。

可选地，光线接收单元设置与超透镜光束调制单元设备同轴设置，从而实现发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠。通过将光线接收单元与超透镜光束调制单元设备同轴设置能够实现收发设备的空间垂直设置，解决了现有技术中为了保证接收光接受率而存在的收发设备不能同轴的问题，摒弃了传统技术手段中采用厚重的透镜组以改变发射光/接收光光路以实现发射光光轴和汇聚光线光轴重叠的方式，有利于减小设备的体积，实现设备的小型化。

可选地，在本实施例提出的光学检测设备中设置多组光线接收单元，围绕设置在超透镜光束调制单元的四周，以提高对后向散射光的接收效率。

上述复用超透镜中的光线准直单元和汇聚单元，分别包括衬底和设置在衬底上的纳米结构。

具体地，参照图2所示的复用超透镜的结构示意图，该复用超透镜是一种超表面，其中，光线准直单元101与汇聚单元102贴合在一起。纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，纳米结构单元呈阵列排布，每组单独阵列排布的纳米结构组成超表面结构单元，超表面结构单元为正多边形。

可选地，超表面结构单元为正六边形或正方形。

可选地，每个超表面结构单元的中心位置。

可选地，每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。

图4、图5分别示出了复用超透镜所使用的正六边形和正方形的超表面结构单元排布图。

可选的，纳米结构的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等其中的一种或多种组合。

在一种较好的实施方式中，纳米结构对入射光施加几何相位，为偏振相关的结构，如纳米鳍、纳米椭圆柱等结构。

在一种较好的实施方式中，纳米结构对入射光施加传播相位，如纳米圆柱、纳米方柱等结构。

除了上述的基于超透镜的光学检测设备外，本实施例还提供一种大气检测系统，该大气检测系统包括基于超透镜的光学检测设备和探测单元；所述探测单元分别与所述基于超透镜的光学检测设备中至少两个探测装置中的各探测装置连接。

所述探测单元，用于接收所述各探测装置传输的具有不同波长的光线的电信号，并根据具有不同波长的光线的电信号对大气散射回来的光线的频率、峰位变化、偏振、强度等信息进行分析，得到分析结果，并根据所述分析结果来判断所检测大气的物质的组成、张力、晶体对称、晶体质量和物质总量等。

具体的，本实施例中所指探测单元为能够实现对光线的频率、峰位变化、偏振、强度等信息进行分析得到分析结果的过程，以及根据所述分析结果来判断所检测大气的物质的组成、张力、晶体对称、晶体质量和物质总量的过程是现有技术，在此不再赘述。

综上所述，本实施例提出一种基于超透镜的光学检测设备和大气检测系统，通过在光学检测设备中设置超透镜光束调制单元，超透镜光束调制单元对激光发射单元发出的发射光进行准直，并将发射光进入大气后产生的散射光汇聚后得到汇聚光线，光线接收单元对汇聚光线进行接收，发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，与相关技术中激光雷达大气检测系统中双轴并向设置的发射系统和接收系统相比，由于发射光的光轴与汇聚光线的光轴重叠，使得光线接收单元与激光发射单元能够同轴设置，消除了激光雷达大气检测系统中光学检测设备的检测盲区，扩大了检测区域范围，实现了对全空域范围内大气的充分检测。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，包括：激光发射单元、光线接收单元和超透镜光束调制单元；

所述激光发射单元生成发射光，所述发射光经过所述超透镜光束调制单元进行准直后入射到大气中，并与所述大气发生散射作用后产生散射光；

所述散射光中的后向散射光入射到所述超透镜光束调制单元后，所述超透镜光束调制单元对所述后向散射光进行汇聚形成汇聚光线，所述光线接收单元对所述汇聚光线进行接收；其中，所述发射光的光轴与所述汇聚光线的光轴重叠。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述超透镜光束调制单元包括复用超透镜，所述复用超透镜靠近所述激光发射单元的一侧设置光线准直单元；

所述光线准直单元对所述发射光进行准直。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述复用超透镜远离所述激光发射单元的一侧设置汇聚单元；

所述汇聚单元对所述散射光中入射到所述超透镜光束调制单元中的所述后向散射光进行汇聚形成所述汇聚光线。

4.根据权利要求3所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述后向散射光，包括：不同波长的散射光束；

所述不同波长的散射光束在入射到所述汇聚单元后，所述汇聚单元还能够改变所述不同波长的散射光束的传播方向，所述不同波长的散射光束在经过所述汇聚单元汇聚后，形成包括不同波长光线的汇聚光线；

所述汇聚光线具有不同波长的光线会按照改变后的传播方向入射到所述光线接收单元。

5.根据权利要求3所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述激光发射单元，包括：光源和扩束镜；

所述扩束镜对所述光源发出的光线进行扩束后生成所述发射光；所述扩束镜设置在所述光源与所述复用超透镜之间；所述扩束镜与所述复用超透镜之间的距离满足第一限定关系。

6.根据权利要求5所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，通过以下公式表示所述扩束镜与所述复用超透镜之间的距离所满足的所述第一限定关系：

f_col+f_enl＝d

其中，d表示所述扩束镜到复用超透镜的距离，f_col表示复用超透镜的光线准直单元的焦距，f_enl表示扩束镜的焦距。

7.根据权利要求4所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述光线接收单元包括：望远目镜、分光单元和至少两个探测装置；

所述望远目镜接收到所述汇聚光线后，分别对所述汇聚光线中具有不同波长的光线进行准直，被准直后的所述汇聚光线中具有不同波长的光线入射到所述分光单元后，被所述分光单元分别反射到所述至少两个探测装置的不同探测装置中，使得所述光线接收单元完成对所述汇聚光线的接收；

所述望远目镜的焦平面与所述复用超透镜的汇聚单元的焦平面重合；

所述望远目镜与所述复用超透镜之间的距离满足第二限定关系。

8.根据权利要求7所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，通过以下公式表示所述望远目镜与所述复用超透镜之间的距离所满足的所述第二限定关系：

f_con+f_ey＝D

其中，D表示复用超透镜到望远目镜之间的距离，f_con为复用超透镜的汇聚单元的焦距，f_ey表示望远目镜的焦距。

9.根据权利要求3所述的基于超透镜的光学检测设备，其特征在于，所述复用超透镜中的所述光线准直单元和所述汇聚单元，分别包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米结构。

10.一种大气检测系统，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的基于超透镜的光学检测设备。

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