CN220019299U - 一种多次反射增强光敏区光强的光路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及尘埃粒子计数器技术领域，具体为一种多次反射增强光敏区光强的光路系统，包括两个棱镜以及两个消球差透镜，所述两个消球差透镜以焦点位置重合，主光轴呈夹角θ放置，所述两个棱镜分别设置在两个消球差透镜的两侧，且位于远离消球差透镜焦点的一侧，并以主光轴与同侧消球差透镜主光轴平行放置。能够大幅度增强光敏区光功率，能够在使用较低功率入射光的情况下，获得更高的光功率，应用在尘埃粒子计数器上能够使尘埃粒子计数器检测更小粒径粒子，扩展其性能和应用范围；在光敏区获得高光功率时，实际采用的激光功率较低，使得光陷阱的设计难度降低，可避免高的光入射功率烧坏吸光器件。

Description

一种多次反射增强光敏区光强的光路系统

技术领域

本实用新型涉及粒子技术器、粒子粒径和浓度检测以及粒子荧光和拉曼散射技术领域，具体为一种多次反射增强光敏区光强的光路系统。

背景技术

激光尘埃粒子计数器是食、药品等洁净厂房环境中尘埃粒子数目浓度及粒径大小监测的重要仪器，它是根据米氏散射的原理设计而成。其构成通常包括光学系统，气路系统和信号处理电路系统三大块，光学系统则由激光照明模块、散射光收集模块和消光模块组成；而气路系统通常是由进气采样管和出气管构成；信号处理电路系统是由前置放大电路和主控板控制电路两大模块组成。工作时，气泵开启，气流稳定地流过光敏区，当粒子穿越光敏区时，激光入射粒子产生散射光，一定角度范围的粒子散射光由球面反射镜收集到正上方的光电二极管上，再经过光电转换，将散射光信号转换成电信号，再通过前置放大器进行小信号放大，然后送入到后续的主控板电路进行分析处理，经过电路比较、甄别后得到不同粒径档的粒子数。

由于不同粒径粒子散射光强度不同，在粒径接近光波长时，散射光强大约和粒径的6次方成正比，因此对于小粒径粒子，其散射光强度急剧下降，大幅度提高光敏区光照强度，才能检出小粒径粒子光电信号。当前国外仅有几家公司能够检出0.1微米粒子，如TSI，采用了半内腔式氦氖激光器，标称腔内光功率能够达到40W。当前国内已经实现了0.3微米粒径粒子的检测，由于无法获得高性能的激光器，国内无法检出小于0.3微米粒子。

在气溶胶尘埃粒子荧光和拉曼散射检测技术中，由于荧光和拉曼散射非常微弱，需要在光敏区形成高强度光强，因此采用多次反射增强光敏区的光路，能够大大提高荧光检测和拉曼散射的检测能力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多次反射增强光敏区光强的光路系统，以解决现有国内尘埃粒子计数器只能检测大于0.3微米的尘埃粒子的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多次反射增强光敏区光强的光路系统，包括两个棱镜以及两个消球差透镜，所述两个消球差透镜以焦点位置重合，主光轴呈夹角θ放置，所述两个棱镜分别设置在两个消球差透镜的两侧，且位于远离消球差透镜焦点的一侧，并以主光轴与同侧消球差透镜主光轴平行放置。

优选的，所述两个消球差透镜以焦点重合，并以主光轴与其中一个棱镜主光轴同轴设置，所述另一个棱镜主光轴与所述两个消球差透镜主光轴平行设置。

优选的，所述两个棱镜采用直角棱镜或者角锥棱镜。

优选的，所述两个角锥棱镜中的一个做切角处理或钻孔处理。

优选的，所述两个直角棱镜中的一个做切角处理或钻孔处理。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

能够大幅度增强光敏区光功率，能够在使用较低功率入射光的情况下，获得更高的光功率，应用在尘埃粒子计数器上能够使尘埃粒子计数器检测更小粒径粒子，扩展其性能和应用范围；应用在气溶胶尘埃粒子荧光和拉曼散射检测中，能够大大提高荧光检测和拉曼散射的检测能力。

在光敏区获得高光功率时，实际采用的激光功率较低，使得光陷阱的设计难度降低，可避免高的光入射功率烧坏吸光器件。

附图说明

图1为实施例1多次反射增强光敏区光强的光路系统的光路原理图；

图2为实施例2多次反射增强光敏区光强的光路系统的光路原理图；

图3为实施例3多次反射增强光敏区光强的光路系统的光路原理图；

图4为实施例4多次反射增强光敏区光强的光路系统的光路原理图；

图5为实施例1和3多次反射增强光敏区光强的方法的原理图；

图6为实施例2和4多次反射增强光敏区光强的方法的原理图。

附图标记说明：

第一直角棱镜11、第二直角棱镜12、第一消球差透镜21、第二消球差透镜22、第一角锥棱镜31、第二角锥棱镜32、主光轴Ⅰ51、主光轴Ⅱ52、第一主光轴101、第二主光轴102。

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做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。

实施例1

请参阅图5，本实施例提供一种技术方案：

一种多次反射增强光敏区光强的方法，所述方法为：设置焦点重合的第一消球差透镜21和第二消球差透镜22，且第一消球差透镜21的主光轴Ⅰ51与第二消球差透镜22的主光轴Ⅱ52形成夹角θ，设置第三棱镜且与主光轴Ⅰ51同轴，设置第四棱镜且与主光轴Ⅱ52同轴，本实施例的第三棱镜、第四棱镜分别采用第二直角棱镜12、第一直角棱镜11，入射光线与第一次经第一直角棱镜11反射并再次经过第一消球差透镜21的出射光线之间的夹角为2θ，入射光线的总反射次数由第一消球差透镜21和第二消球差透镜22的主光轴夹角θ和第一消球差透镜21的孔径角决定，为arctg(D/2f)/θ。

所述入射光线与第一次经第一直角棱镜11反射并再次经过第一消球差透镜21的出射光线之间的夹角为2θ的计算过程如下：假设入射光线经过第一消球差透镜21后的出射光线与主光轴Ⅰ51夹角为γ，则该出射光线经过焦点后与第二消球差透镜22的主光轴Ⅱ52的夹角为γ-θ，该出射光线经过第二消球差透镜22和第二直角棱镜12后再次经过第二消球差透镜22的出射光线与主光轴Ⅱ52的夹角也为γ-θ，则该出射光线与主光轴Ⅰ51的夹角为γ-2(γ-θ)＝2θ-γ，该出射光线经焦点、第一消球差透镜21、第一直角棱镜11再次入射到第一消球差透镜21后的出射光线与主光轴Ⅰ51的夹角仍为2θ-γ，则此出射光线与入射光线第一次经过第一消球差透镜21的出射光线之间的夹角为γ+(2θ-γ)＝2θ。如果经过第一直角棱镜11的出射光线能够再次经过第一消球差透镜21并重新回到焦点，则需要保证每次从第一直角棱镜11经过第一消球差透镜21的出射光线比上一次向下偏转2θ，而入射光线经过第一消球差透镜21的首次出射光线和最后经过第一消球差透镜21的出射光线允许的最大夹角不能超过第一消球差透镜21的孔径角，即2argtg(D/2f)，D为第一消球差透镜的口径大小，f为两消球差透镜的焦距，入射光线的总反射次数即为2argtg(D/2f)/2θ＝argtg(D/2f)2θ。

参照图1，本实施例还提供一种多次反射增强光敏区光强的光路系统，包括第一消球差透镜21、第二消球差透镜22、第一直角棱镜11、第二直角棱镜12，所述两个消球差透镜以焦点位置重合放置，且所述两个消球差透镜的主光轴具有夹角θ，所述第一直角棱镜11设置于远离第一消球差透镜21焦点的一侧，并且第一直角棱镜11的主光轴与第一消球差透镜21主光轴重合，即主光轴Ⅰ51，所述第二直角棱镜12设置于远离第二消球差透镜22焦点的一侧，并且第二直角棱镜12的主光轴与第二消球差透镜22主光轴重合，即主光轴Ⅱ52。为了让入射光线平行入射到第一消球差透镜21上，本实施例的第一直角棱镜11做了切角处理。

光学原理：入射光线水平入射，经过第一消球差透镜21后必然经过其焦点，然后入射到第二消球差透镜22上，并且由于两消球差透镜主光轴偏转了一个角度，因此第二消球差透镜22的入射点会较第一消球差透镜21的入射点靠近主光轴Ⅱ52，由于两消球差透镜焦点重合，经过第二消球差透镜22后变为平行于第二消球差透镜22主光轴Ⅱ52的光线，再经过第二直角棱镜的12的反射后，会在第二直角棱镜的12的另一侧平行于主光轴Ⅱ52射出，光线重新经过第二消球差透镜22回到两消球差透镜焦点后，再次返回到第一消球差透镜21上，经过第一消球差透镜21后变成平行于主光轴Ⅰ51的光线，再经过第一直角棱镜11二次反射后再次从第一消球差透镜21射出，此时射出的光线会比原来的出射光线靠近主光轴Ⅰ51，偏移的大小和两个两消球差透镜主光轴偏转的角度有关。如此往复来回反射，由于采用的是消球差透镜，因此光线每次都经过两消球差透镜主的共同焦点，直到光线偏移距离超出两消球差透镜孔径角的范围。由于光线每次都经过两消球差透镜主焦点，因此将尘埃粒子计数器的光敏区放在两消球差透镜共同焦点处，会获得数倍于原来的光功率的入射，能够大幅度提高尘埃粒子的散射光功率，从而更加容易检出小粒径粒子。其中光反射次数与两消球差透镜主光轴偏转的角度有关，偏转角度越小，来回反射次数越多，但是要求入射光直径越小。

实施例2

参照图6，本实施例提供一种多次反射增强光敏区光强的方法为：将第一消球差透镜21、第二消球差透镜22、第三棱镜的主光轴重合设置，而第四棱镜的主光轴与第一消球差透镜21、第二消球差透镜22、第三棱镜的主光轴平行设置，且距离为a，所述第一消球差透镜21的口径为D，则入射光线在第一消球差透镜21的入射点和经第四棱镜第一次反射的光线在第一消球差透镜21的入射点之间的垂直距离为2a，入射光线的总反射次数为D/2a。

本实施例的第三棱镜和第四棱镜仍采用第二直角棱镜12、第一直角棱镜11，反射次数的计算过程如下：将第一消球差透镜21、第二消球差透镜22、第二直角棱镜12的主光轴记为第一主光轴101，第一直角棱镜11的主光轴记为第二主光轴102。入射光线在第一消球差透镜21的入射点和第一主光轴101之间的距离为b，则第二消球差透镜22光线的出射点和第一主光轴101的距离也为b，经过第二直角棱镜12返回的光线在第二消球差透镜22上的入射点和第一主光轴101的距离为b，光线重新入射到第一消球差透镜21后的出射点和第一主光轴101的距离为b，则该出射点和第二主光轴102的距离为b-a，光线经过第一直角棱镜11反射后再次入射到第一消球差透镜21上的入射点和第二主光轴102之间的距离也为b-a，那么2b-2(b-a)＝2a，即为入射光线在第一消球差透镜21的入射点和经第一直角棱镜11第一次反射的光线在第一消球差透镜21的入射点之间的垂直距离为2a。由于第一消球差透镜21的口径为D，所以反射次数为D/2a。

本实施例提供的多次反射增强光敏区光强的系统如图2，包括所述两个消球差透镜以焦点位置重合放置，且所述两个消球差透镜的主光轴同轴，所述第一直角棱镜11设置于远离第一消球差透镜21焦点的一侧，并且第一直角棱镜11的主光轴与第一消球差透镜21主光轴平行不同轴，所述第二直角棱镜12设置于远离第二消球差透镜22焦点的一侧，并且第二直角棱镜12的主光轴与第二消球差透镜22主光轴同轴。

本实施例的光学原理同实施例1相同，不同之处仅在于光学元件的设置方式和位置有所不同，同样将尘埃粒子计数器的光敏区放在两消球差透镜共同焦点处，可实现光敏区光强的增强，本实施例以及实施例1均要求直角棱镜的棱线必须严格平行，否则会造成光线不能汇聚于两消球差透镜的焦点，反而是将光敏扩大，光强增强效果变差。

实施例3

本实施例的多次反射增强光敏区光强的方法同实施例1相同，不同之处在于光路系统，请参阅图3，为了解决实施例1、2使用直角棱镜存在的缺陷，本实施例的第三棱镜和第四棱镜分别采用第一角锥棱镜31、第二角锥棱镜32，所述两个消球差透镜以焦点位置重合放置，且所述两个消球差透镜的主光轴具有夹角θ，所述第一角锥棱镜31设置于远离第一消球差透镜21焦点的一侧，并且第一角锥棱镜31的主光轴与第一消球差透镜21主光轴重合，即为主光轴Ⅰ51，所述第二角锥棱镜32设置于远离第二消球差透镜22焦点的一侧，并且第二角锥棱镜32的主光轴与第二消球差透镜22主光轴重合，即为主光轴Ⅱ52。为了让入射光线平行入射到第一消球差透镜21上，本实施例的第一角锥棱镜31做了钻孔处理。

光学原理：入射光线水平入射，通过第一角锥棱镜31的孔后经过第一消球差透镜21后必然经过其焦点，然后入射到第二消球差透镜22上，并且由于两消球差透镜主光轴偏转了一个角度，因此第二消球差透镜22的入射点会较第一消球差透镜21的入射点靠近主光轴Ⅱ52，由于两消球差透镜焦点重合，经过第二消球差透镜22后变为平行于主光轴Ⅱ52的光线，再经过第二角锥棱镜32的反射后，光线偏转180°，会在主光轴Ⅱ52的另一侧平行于主光轴Ⅱ52射出，光线重新经过第二消球差透镜22回到两消球差透镜焦点后，再次返回到第一消球差透镜21上，经过第一消球差透镜21后变成平行于主光轴Ⅰ51的光线，再经过第一角锥棱镜31二次反射后，偏转180°再次从第一消球差透镜21射出，此时射出的光线会比原来的出射光线靠近主光轴Ⅰ51，偏移的大小和两个两消球差透镜主光轴偏转的角度有关。如此往复来回反射，由于采用的是消球差透镜，因此光线每次都经过两消球差透镜主的共同焦点，直到光线偏移距离超出两消球差透镜孔径角的范围。由于光线每次都经过两消球差透镜主焦点，因此将尘埃粒子计数器的光敏区放在两消球差透镜共同焦点处，会获得数倍于原来的光功率的入射，能够大幅度提高尘埃粒子的散射光功率，从而更加容易检出小粒径粒子。其中光反射次数与两消球差透镜主光轴偏转的角度有关，偏转角度越小，来回反射次数越多，但是要求入射光直径越小。

本实施例采用角锥棱镜代替直角棱镜，由于角锥棱镜在各个方向都能实现将入射光偏转180°，因此能够使得光线的来回反射更加稳定，光路更加稳定，装配到尘埃粒子计数器中更加容易和维护。

实施例4

本实施例的多次反射增强光敏区光强的方法同实施例2相同，不同之处在于光路系统，请参阅图4，本实施例的第三棱镜和第四棱镜分别采用第一角锥棱镜31、第二角锥棱镜32，所述两个消球差透镜以焦点位置重合放置，且所述两个消球差透镜的主光轴重合，所述第一角锥棱镜31设置于远离第一消球差透镜21焦点的一侧，并且第一角锥棱镜31的主光轴与第一消球差透镜21主光轴平行不同轴，即为第一主光轴101，所述第二角锥棱镜32设置于远离第二消球差透镜22焦点的一侧，并且第二角锥棱镜32的主光轴与第二消球差透镜22主光轴重合，即为第二主光轴102。

本实施例的光学原理与实施例3相同，不同之处仅在于光学元件的设置方式和位置有所不同，同样将尘埃粒子计数器的光敏区放在两消球差透镜共同焦点处，可实现光敏区光强的增强。

为了清楚展示实施例1-4的光路，说明书附图1-4所示均为单根光线的光路图。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种多次反射增强光敏区光强的光路系统，其特征在于：包括两个棱镜以及两个消球差透镜，所述两个消球差透镜以焦点位置重合，主光轴呈夹角θ放置，所述两个棱镜分别设置在两个消球差透镜的两侧，且位于远离消球差透镜焦点的一侧，并以主光轴与同侧消球差透镜主光轴平行放置。

2.根据权利要求1所述的多次反射增强光敏区光强的光路系统，其特征在于：所述两个消球差透镜以焦点重合，并以主光轴与其中一个棱镜主光轴同轴设置，所述另一个棱镜主光轴与所述两个消球差透镜主光轴平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的多次反射增强光敏区光强的光路系统，其特征在于：所述两个棱镜采用直角棱镜或者角锥棱镜。

4.根据权利要求3所述的多次反射增强光敏区光强的光路系统，其特征在于：所述两个角锥棱镜中的一个做切角处理或钻孔处理。

5.根据权利要求3所述的多次反射增强光敏区光强的光路系统，其特征在于：所述两个直角棱镜中的一个做切角处理或钻孔处理。