CN218896038U - 一种多次反射的长光程光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种多次反射的长光程光学系统，用以解决现有长光程光学系统的外形尺寸较大，功能单一的技术问题。本实用新型包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜同轴相对设置，第二反射镜上设有输入端和输出端，第二反射镜是复合凹面反射镜，第二反射镜包括外镜和内镜，内镜设置在外镜内，输入端和输出端均设置在外镜和内镜交接面的直径与外镜的外径之间，外镜的曲率半径R2≈2R1，R1为第一反射镜的曲率半径。本实用新型的在相同空间尺寸的反射次数可以达到3倍的赫里奥特池反射次数及以上；镜片易于加工制造和精度保证，形成的气体吸收池不仅光学调校相对简单易于操作，而且性能稳定可广泛用于各类检测环境。

Description

一种多次反射的长光程光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学气体传感器检测的技术领域，尤其涉及一种多次反射的长光程光学系统，用于光学气体检测。

背景技术

随着红外和激光技术的快速发展，基于气体吸收的光谱检测技术已经成为环境及工业过程的痕量气体有效检测手段。根据比尔-郎伯公式，测量灵敏度取决于吸收光程和气体吸收系数，光程增加灵敏度也随之提高。现阶段对痕量气体的检测灵敏度要求越来越高，需要检测的气体浓度在ppm甚至ppb级别，这就需要更长的吸收光程来实现。

现有的光学气体传感器具有寿命长、精度高、抗中毒等优点，在气体检测领域广泛应用；光学气体吸收池为传感器的核心部件，直接决定传感器的性能和外形尺寸。随着在气体检测领域对精度的要求提升，光学气体吸收池的光程也需要进一步提高。要求在有限空间内实现更长的光程，需要吸收池实现更多次的反射。

申请号为202210216123.3的发明专利公开了一种长光程气体吸收池反射光学系统，实现准直光束在有限空间内能够达到更长的光程，完成更多次的反射；且系统结构简单，光学调校相对简单，易于操作，而且性能稳定，可广泛用于各类检测环境。目前，市场上常用的典型光学系统为怀特池和赫里奥特池两种，赫里奥特池光学系统由两个曲率半径相同的反射镜同轴相对放置，两个反射镜间隔一定距离，光束在两个反射镜上面各形成一圈光斑。设定赫里奥特池的反射次数为N，申请号为202210216123.3的发明专利的光学系统相同空间尺寸的反射次数则可以达到2N。

实用新型内容

针对市场上对痕量气体的检测精度要求越来越高，同时相关检测仪器又需要进行轻量化设计的技术问题，本实用新型提出了一种多次反射的长光程光学系统，进一步提高光学系统的反射次数，作为检测产品的核心部件气体吸收池进一步提高了光程尺寸比，相同结构空间的情况下光程越长。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种多次反射的长光程光学系统，包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜同轴相对设置，第二反射镜上设有输入端和输出端，第二反射镜是复合凹面反射镜，第二反射镜包括外镜和内镜，内镜设置在外镜内，输入端和输出端均设置在外镜和内镜交接面的直径D4与外镜的外径D3之间，外镜的曲率半径R2≈2R1，R1为第一反射镜的曲率半径。

优选地，所述内镜的曲率半径R3与第一反射镜的曲率半径R1相近。

优选地，所述输入端发出的准直光束夹角α的范围为0.5-10度。

优选地，所述第一反射镜表面上形成两圈反射光斑，所述第二反射镜表面上形成三圈反射光斑，且第一反射镜表面上的反射光斑数和第二反射镜表面上反射光斑数相等。

优选地，所述第一反射镜表面上的反射光斑包括反射光斑圈I和反射光斑圈II，所述反射光斑圈I位于第一反射镜的反射面上环形直径D2与外径D1之间，反射光斑圈II位于环形直径D2内。

优选地，所述第二反射镜表面上的反射光斑包括第一圈反射光斑、第二圈反射光斑和第三圈反射光斑，第一圈反射光斑位于外径D3与直径D4之间的环状区域内，第二圈反射光斑位于直径D4与外镜反射面上环形直径D5之间的环状区域内，第三圈反射光斑位于环形直径D5范围内；所述输入端和输出端均设置在第一圈反射光斑的光斑中心。

优选地，所述输入端在P0处以准直光束夹角α发出一准直光束到达第一反射镜的表面P1处，依反射定律经过第一反射镜的反射后到达第二反射镜的表面P2处，经过第二反射镜的反射后到达第一反射镜的表面P3处，再经过第一反射镜的反射后回到第二反射镜表面P4处，P0-P4之间的光束形成第一组反射光束；且P1位于第一反射镜的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P2位于第二反射镜的环形直径D5范围内的第三圈反射光斑上，P3位于第一反射镜的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P4位于第二反射镜的外径D3和直径D4之间的第一圈反射光斑上。

优选地，所述第一组反射光束在P4处经过第二反射镜的反射后到达第一反射镜的表面P5处，依反射定律光束依次反射经过第二反射镜的表面P6处、第一反射镜的表面P7处到达第二反射镜表面的P8处，P4-P8之间的光束形成第二组反射光束；且P5位于第一反射镜表面的环形直径D2区域内的反射光斑圈II上，P6位于第二反射镜的直径D4和直径D5之间的第二圈反射光斑，P7位于第一反射镜的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P8位于第二反射镜的直径D4和环形直径D5之间的第二圈反射光斑。

优选地，所述第一反射镜和第二反射镜上的反射光斑为圆筒状或扁平状。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的多次反射的长光程光学系统在相同空间尺寸的反射次数可以达到3倍的赫里奥特池反射次数及以上；在光程一定的情况下，光学系统的外形尺寸可以做到更小。本实用新型光学系统的镜片易于加工制造和精度保证，形成的气体吸收池不仅光学调校相对简单易于操作，而且性能稳定可广泛用于各类检测环境。

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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型第二反射镜的侧视图。

图3为本实用新型第一组反射光束的反射示意图。

图4为本实用新型第二组反射光束的反射示意图。

图5为本实用新型得到的光斑分布图，其中，（a）为第一反射镜，（b）为第二反射镜。

图6为本实用新型的光学模拟图一。

图7为本实用新型的光学模拟图二。

图8为本实用新型的光学模拟图三。

图中，1为第一反射镜，2为第二反射镜，3为输入端，4为输出端。

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。基于本实用新型中的实施例，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。

如图1所示，一种多次反射的长光程光学系统，包括第一反射镜1和第二反射镜2，第一反射镜1和第二反射镜2相对同轴设置，保证光线在第一反射镜1和第二反射镜2之间来回反射。第一反射镜1为凹面反射镜。第二反射镜2上设有输入端3和输出端4，第二反射镜2是复合凹面反射镜，第二反射镜2包括外镜和内镜，内镜设置在外镜内，第一反射镜1和第二反射镜2均进行光线的反射。输入端3和输出端4均设置在外镜和内镜交接面的直径D4与外镜的外径D3之间，内镜的曲率半径R3与第一反射镜1的曲率半径R1相近，外镜的曲率半径R2≈2R1。

第一反射镜1的曲率半径为R1、外径为D1，反射面上环形直径为D2。

第二反射镜2在直径D4和外径D3的环状区域内曲率半径为R2，内镜反射面上的环形直径为D5，第二反射镜2在环形直径D5范围内曲率半径为R3。曲率半径R1和曲率半径R3相等或者相近。

输入端3发出的准直光束夹角为α，α的范围取0.5-10度。第一反射镜1和第二反射镜2的距离为d。距离d和两个镜片曲率半径与外径及α角之间存在相对关系。

如图3所示，输入端3在P0处准直光束以夹角α发出一准直光束到达第一反射镜1的表面P1处，P1位于第一反射镜1的外径D1和环形直径D2之间，依反射定律经过第一反射镜1的反射后到达第二反射镜2的表面P2处，P2位于第二反射镜2的环形直径D5范围内。经过第二反射镜2的反射后到达第一反射镜1的表面P3处，P3位于第一反射镜1的外径D1和环形直径D2之间，再经过第一反射镜1的反射后回到第二反射镜2表面P4处，P0-P4之间的光束形成第一组反射光束，P4位于第二反射镜2的外径D3和直径D4之间。

如图4所示，当光束在P4处经过第二反射镜2的反射后到达第一反射镜1的表面P5处，P5位于第一反射镜1表面的环形直径D2区域内，续同第一组的规则依次反射经过第二反射镜2的表面P6处、第一反射镜1的表面P7处到达第二反射镜2表面的P8处，P4-P8之间的光束形成第二组反射光束，P6位于第二反射镜2的直径D4和直径D5之间，P7位于第一反射镜1的外径D1和环形直径D2之间，P8位于第二反射镜2的直径D4和环形直径D5之间。P0-P8依据反射定律进行设置。

如图5所示，同理如第一组反射光束和第二组反射光束，光束继续在第一反射镜1和第二反射镜2间继续进行往复反射，最终在第一反射镜1形成两圈反射光斑，同时在第二反射镜2上面外径D3和直径D4的环状区域内形成一圈反射光斑，在第二反射镜2上直径D4和直径D5环状区域内形成第二圈反射光斑，在第二反射镜2上环形直径D5范围内形成第三圈反射光斑。第一反射镜1表面上的两圈反射光斑数与第二反射镜2表面上三圈反射光斑数相等。调整第一反射镜1和第二反射镜2的距离d，可以改变第二反射镜2的外圈光斑的位置，使光束最终到达输出端位置出射。

由于输入端的光源器件和输出端的探测器器件都有一定的尺寸要求，所以吸收池的相邻光斑的间隔也有尺寸要求，普通的探测器外径一般不小于8mm，光源的尺寸大约也是这样的尺寸。本实用新型的输入端和输出端都设置在第二反射镜2的外圈光斑处，由于光源器件和探测器器件没有设置到此处，对第一反射镜1的光斑间隔和第二反射镜2的内圈光斑间隔不做要求，这样在光程一定的情况下，光学系统的外形尺寸可以做到更小。

调整参数R1、R2、R3、d及入射角α的数值，可以实现不同反射次数和大小光斑光圈直径，从而得到各种不同尺寸需求的长光程气体吸收池。本实用新型光学系统的镜片易于加工制造和精度保证，形成的气体吸收池不仅光学调校相对简单易于操作，而且性能稳定可广泛用于各类检测环境。

光学软件进行的模拟，得到如图6和图7的光学模拟图，依据光学模拟图一、光学模拟图二所示的光学系统，其光学腔体的气室结构可以设计为圆筒状。光学模拟图一的结果，在只减少反射次数的情况下及改变输出端位置，可以得到如图8的光学模拟图，依据光学模拟图三所示光学系统，其光学腔体的气室结构可以设计为扁平状。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多次反射的长光程光学系统，包括第一反射镜（1）和第二反射镜（2），第一反射镜（1）和第二反射镜（2）同轴相对设置，第二反射镜（2）上设有输入端（3）和输出端（4），其特征在于，第二反射镜（2）是复合凹面反射镜，第二反射镜（2）包括外镜和内镜，内镜设置在外镜内，输入端（3）和输出端（4）均设置在外镜和内镜交接面的直径D4与外镜的外径D3之间，外镜的曲率半径R2≈2R1，R1为第一反射镜（1）的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述内镜的曲率半径R3与第一反射镜（1）的曲率半径R1相近。

3.根据权利要求2所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述输入端（3）发出的准直光束夹角α的范围为0.5-10度。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述第一反射镜（1）表面上形成两圈反射光斑，所述第二反射镜（2）表面上形成三圈反射光斑，且第一反射镜（1）表面上的反射光斑数和第二反射镜（2）表面上反射光斑数相等。

5.根据权利要求4所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述第一反射镜（1）表面上的反射光斑包括反射光斑圈I和反射光斑圈II，所述反射光斑圈I位于第一反射镜（1）的反射面上环形直径D2与外径D1之间，反射光斑圈II位于环形直径D2内。

6.根据权利要求5所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述第二反射镜（2）表面上的反射光斑包括第一圈反射光斑、第二圈反射光斑和第三圈反射光斑，第一圈反射光斑位于外径D3与直径D4之间的环状区域内，第二圈反射光斑位于直径D4与外镜反射面上环形直径D5之间的环状区域内，第三圈反射光斑位于环形直径D5范围内；所述输入端（3）和输出端（4）均设置在第一圈反射光斑的光斑中心。

7.根据权利要求6所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述输入端（3）在P0处以准直光束夹角α发出一准直光束到达第一反射镜（1）的表面P1处，依反射定律经过第一反射镜（1）的反射后到达第二反射镜（2）的表面P2处，经过第二反射镜（2）的反射后到达第一反射镜（1）的表面P3处，再经过第一反射镜（1）的反射后回到第二反射镜（2）表面P4处，P0-P4之间的光束形成第一组反射光束；且P1位于第一反射镜（1）的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P2位于第二反射镜（2）的环形直径D5范围内的第三圈反射光斑上，P3位于第一反射镜（1）的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P4位于第二反射镜（2）的外径D3和直径D4之间的第一圈反射光斑上。

8.根据权利要求7所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述第一组反射光束在P4处经过第二反射镜（2）的反射后到达第一反射镜（1）的表面P5处，依反射定律光束依次反射经过第二反射镜（2）的表面P6处、第一反射镜（1）的表面P7处到达第二反射镜（2）表面的P8处，P4-P8之间的光束形成第二组反射光束；且P5位于第一反射镜（1）表面的环形直径D2区域内的反射光斑圈II上，P6位于第二反射镜（2）的直径D4和直径D5之间的第二圈反射光斑，P7位于第一反射镜（1）的外径D1和环形直径D2之间的反射光斑圈I上，P8位于第二反射镜（2）的直径D4和环形直径D5之间的第二圈反射光斑。

9.根据权利要求8所述的多次反射的长光程光学系统，其特征在于，所述第一反射镜（1）和第二反射镜（2）上的反射光斑为圆筒状或扁平状。

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