CN218445045U - 粒子计数传感器的光路系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种粒子计数传感器的光路系统，系统设有用于发射激光束的半导体激光器，沿着所述激光束的光路依次设有非球面镜、棱镜、矩形孔光阑A、矩形孔光阑B、光敏区、光陷阱，采样气流在光敏区与激光束相交，所述光敏区在激光束两侧分别设有反射镜和硅光电二极管。本实用新型粒子计数器传感器整体光路系统体积小，具有强度更大、更加稳定的电信号等效果，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合矩形光阑的结构极大地降低了传感器的光学本底噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及洁净度检测设备领域，尤其涉及粒子计数器传感器激光整形的光路系统。
背景技术
洁净室环境广泛应用于半导体、电子、生物医药工程、精密加工等行业，环境中的颗粒物浓度对产品质量有关键的影响作用。光学粒子计数器是用于测量洁净环境空气中颗粒物的粒径及颗粒数浓度的重要仪器，其测量原理是基于Mie散射理论，当单个颗粒随气流进入光敏区被光束照射产生散射光，散射光强度与颗粒的粒径相关，通过收集散射光并通过光电探测器转为电信号，即可实现对颗粒粒径的测量和计数。
目前，国内大流量全半导体尘埃粒子计数器的光学传感器的照明系统采用大功率的半导体激光器，通过透镜系统将激光束汇聚在光敏区，采样气流中颗粒被照射产生的散射光经过摆放在平行于Z轴距粒子较远处的反射镜反射聚焦到光电二极管。但上述传感器存在以下缺点：大功率半导体激光器输出激光束为多模，经透镜汇聚后在光敏区的光束波前强度分布不均匀造成同一粒子由光敏区不同位置穿越产生的散射光发生改变，并且多模激光也会引起散射光收集腔内杂散光过多，导致收集到的散射光信号强度不够可靠与稳定，导致粒径分辨率降低和测量误差的增大。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是实现一种粒子计数器传感器整体光路系统，使得粒子计数器的传感器体积更小，并提高测量粒径准确度。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：粒子计数传感器的光路系统，系统设有用于发射激光束的半导体激光器，沿着所述激光束的光路依次设有非球面镜、棱镜、矩形孔光阑A、矩形孔光阑B、光敏区、光陷阱，采样气流在光敏区与激光束相交，所述光敏区在激光束两侧分别设有反射镜和硅光电二极管。
所述采样气流经进气嘴进入气吹入光路系统内，所述采样气流穿过激光束并与激光束垂直，所述进气嘴为扁平气嘴，所述进气嘴距离光敏区中心的距离为2mm。
在与进气嘴同轴的光敏区另一侧设有出气嘴，所述出气嘴为扁平气嘴，所述进气嘴截面面积小于出气嘴截面面积。
所述反射镜的焦点位于硅光电二极管上。
所述非球面镜将激光束的慢轴方向准直为平行光或略微汇聚的准平行光，快轴整形为汇聚光束。
所述棱镜为Powell棱镜，将激光束整形为平顶分布的平行激光。
所述矩形孔光阑A和矩形孔光阑B的结构相同，板状本体中心设有供激光束穿过的矩形孔，所述板状本体上设有用于夹持固定的固定结构。
所述矩形孔光阑A的矩形孔尺寸为3mm×1mm，所述矩形孔光阑B的矩形孔尺寸为4mm×1mm。
所述矩形孔设有倒角结构，矩形孔光阑正面的矩形孔开口面积要小于在矩形孔光阑反面的开口面积，所述矩形孔光阑A的反面朝向半导体激光器，所述矩形孔光阑B的正面朝向半导体激光器。
所述光陷阱设有接收激光束的进口通道，所述进口通道连通消光腔，所述进口通道为向内逐渐变窄的锥形口，所述进口通道外设有用于与散射腔连接的螺纹结构。
本实用新型粒子计数器传感器整体光路系统体积小，具有强度更大、更加稳定的电信号等效果，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合矩形光阑的结构极大地降低了传感器的光学本底噪声。
附图说明
下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为光路系统YOZ平面原理图；
图2为光路系统XOZ平面原理图；
图3为光路系统原理示意图；
图4、5为矩形孔光阑结构图；
图6为图4中A-A剖视图；
图7为光陷阱腔体结构图；
图8为图7中A-A剖视图；
图9为扁平气嘴示意图；
上述图中的标记均为：1、半导体激光器；2、非球面镜；3、Powell棱镜；4、矩形孔光阑A；5、矩形孔光阑B；6、光敏区；7、反射镜；8、硅光电二极管；9、光陷阱；10、固定结构、11、倒角结构；12、正面；13、反面；14、螺纹结构；15、锥形口；16、消光腔。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
粒子计数器传感器整体光路系统包括半导体激光器1，在半导体激光器1光束出射方向上依次设有非球面镜2、棱镜、及两层矩形孔光阑(矩形孔光阑A4和矩形孔光阑B5)，光敏区6光路后方放置光陷阱9。垂直于主光束的X轴方向设有进气嘴和出气嘴，采样气流通过气流管道连接进气嘴，经过光路后由出气嘴回收，采样气流与主光束交叉重叠区域形成光敏区6，再由光陷阱9吸收激光光束；光敏区6主光路附近摆放的平行于XOZ平面的反射镜7收集大部分散射光强并汇聚于大面积硅光电二极管8。反射镜7面中心与硅光电二极管8中心所连轴线平行于Z轴，所述反射镜7的焦点位于光路附近的大面积硅光电二极管8。
棱镜优选Powell棱镜3，Powell棱镜3一般被用于将高斯分布的平行激光整形为平顶分布的较大发散角一字线激光。而在本系统中，激光经非球面透镜整形，慢轴方向准直为平行光或略微汇聚的准平行光，快轴整形为汇聚光束，此后Powell棱镜3则被用于将高斯分布的汇聚激光整形为平顶分布的平行激光，Powell棱镜3在尘埃粒子计数器中的应用能够将光敏区6的光斑整形成Y方向平顶分布的椭圆光斑，该椭圆的长轴长度2a约为2mm，短轴长度2b约为0.4mm，以减小粒子从光敏区6的Y方向不同位置穿越引起的散射光强度偏差。
矩形孔光阑A4和矩形孔光阑B5的结构相同，均用于过滤杂散光以降低腔体的光学本底噪声，矩形孔光阑A4内部矩形孔尺寸为3mm×1mm，矩形孔光阑B5内部矩形孔尺寸为4mm×1mm，它们的1mm宽度方向均与X轴方向平行。图4-6为矩形孔光阑结构图，矩形孔光阑整体为圆形板材，中心位矩形孔，其中为便于固定，光阑矩形孔方向正上方设有固定结构10，可以通过夹具夹持住矩形孔光阑；矩形孔存在的倒角结构11，目的是使得矩形孔刀口尖锐以减少衍射光，安装时，矩形孔光阑A4需要使得面正面12朝向Z轴正方向，反面13朝向Z轴负方向；矩形孔光阑B5需要使得面正面12朝向Z轴负方向，反面13朝向Z轴正方向
一部分杂散光被矩形孔光阑A4吸收，少量杂散光在矩形孔光阑A4的矩形孔的刀口处发生衍射，其他杂散光通过矩形孔。通过矩形孔光阑A4的杂散光及矩形孔光阑A4矩形孔刀口发生的衍射光有一部分被矩形孔光阑B5吸收，而矩形孔光阑B5矩形孔的4mm比光阑4的3mm略大，极大程度减少了矩形孔光阑B5矩形孔刀口的衍射光。矩形孔光阑A4与矩形孔光阑B5配合使用，能有效减少光束附近的杂散光。
图7、8为光陷阱9腔体的结构图，进口通道上设有用于与散射腔连接的螺纹结构14；进口通道的内部为锥形口15，锥形口15向内口径逐渐减小，相比于平口，锥形口15有利于更好吸纳光束及附近杂散光，进口通道连通消光腔16，消光腔16的作用是吸收进入消光腔16的光束与杂散光，使其不干扰散射光收集以减小光噪声。
图9为气嘴的结构示意图，整体呈扁平结构，采样气路系统的进气嘴即为扁平气嘴，YOZ平面截面近似于7×1mm的矩形，伸入散射腔体内且离光敏区6距离为2mm；出气嘴为扁平气嘴，YOZ平面截面近似于10×2mm的矩形，不伸入腔体内。扁平气嘴在适当流速情况下，气流具有稳定的流动特性，且使得大部分待测颗粒从光敏区6穿过，有利于提升颗粒测量的计数效率。
工作原理如下：在图3中，大功率半导体激光器1发出的多模激光束通过非球面透镜整形，慢轴方向准直为平行光或略微汇聚的准平行光，快轴整形为汇聚光束。再由棱镜3将快轴光束整形为平行光或略微汇聚的准平行光，且光斑快轴方向能量分布近似于平顶分布，然后由两层矩形孔光阑的矩形孔消除杂散光，于光敏区6呈现平顶分布的椭圆光斑，再由光陷阱9吸收激光光束。
进气嘴和出气嘴所连轴线平行于X轴，采样气流经气流管道进入进气嘴，由进气嘴伸入散射腔内，在与进气嘴同轴的光敏区6另一侧一定距离处设有出气嘴。平行于XOZ平面放置在光敏区6的反射镜7将主要散射光路的大部分光强反射聚焦于大面积硅光电二极管8，从而获得强度更大、更加稳定的电信号，即提高了传感器的信噪比和灵敏度，同时配合矩形光阑的结构极大地降低了传感器的光学本底噪声。
上述粒子计数器传感器整体光路系统结构，采用的光路设计将光敏区6的光斑分布整形为近似矩形且均匀，通过矩形孔光阑降低散射光收集腔内的光学本底噪声，通过反射镜7收集大部分有效散射光强以增强电信号的可靠度和稳定性，使其具有体积小、易于调节、高粒径测量准确度、高分辨率、高信噪比和高灵敏度的特点。本发明的激光光路系统提高了光敏区6光强分布的均匀性和光功率的密度，即提高了传感器的粒径分辨率、信噪比和灵敏度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.粒子计数传感器的光路系统，系统设有用于发射激光束的半导体激光器，其特征在于：沿着所述激光束的光路依次设有非球面镜、棱镜、矩形孔光阑A、矩形孔光阑B、光敏区、光陷阱，采样气流在光敏区与激光束相交，所述光敏区在激光束两侧分别设有反射镜和硅光电二极管。
2.根据权利要求1所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述采样气流经进气嘴进入气吹入光路系统内，所述采样气流穿过激光束并与激光束垂直，所述进气嘴为扁平气嘴，所述进气嘴距离光敏区中心的距离为2mm。
3.根据权利要求2所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：在与进气嘴同轴的光敏区另一侧设有出气嘴，所述出气嘴为扁平气嘴，所述进气嘴截面面积小于出气嘴截面面积。
4.根据权利要求3所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述反射镜的焦点位于硅光电二极管上。
5.根据权利要求1-4中任一所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述非球面镜将激光束的慢轴方向准直为平行光或略微汇聚的准平行光，快轴整形为汇聚光束。
6.根据权利要求5所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述棱镜为Powell棱镜，将激光束整形为平顶分布的平行激光。
7.根据权利要求1或6所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述矩形孔光阑A和矩形孔光阑B的结构相同，板状本体中心设有供激光束穿过的矩形孔，所述板状本体上设有用于夹持固定的固定结构。
8.根据权利要求1所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述矩形孔光阑A的矩形孔尺寸为3mm×1mm，所述矩形孔光阑B的矩形孔尺寸为4mm×1mm。
9.根据权利要求8所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述矩形孔设有倒角结构，矩形孔光阑正面的矩形孔开口面积要小于在矩形孔光阑反面的开口面积，所述矩形孔光阑A的反面朝向半导体激光器，所述矩形孔光阑B的正面朝向半导体激光器。
10.根据权利要求1或9所述的粒子计数传感器的光路系统，其特征在于：所述光陷阱设有接收激光束的进口通道，所述进口通道连通消光腔，所述进口通道为向内逐渐变窄的锥形口，所述进口通道外设有用于与散射腔连接的螺纹结构。
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