[發明專利]用旋轉對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學系統

有效

• 申請號: 201310307346.1
• 申請日: 2013-07-22
• 公開（公告）號: CN103364318A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 戴兵;戴未然;袁銀男
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01B11/24
• 代理公司: 南通市永通專利事務所 32100
• 代理人: 葛雷

技術領域

本發明涉及一種光學傳感器。

背景技術

微粒檢測技術在科學研究、工業場所、大氣環境監測中起到至關重要的作用。其檢測技術主要有光學法、電學法、動力學法，其中光學法以測量范圍廣、不接觸樣品、快速、可自動化實時而被最廣泛地應用，典型的儀器如庫爾特儀、Climet和ROYCO粒子計數器、國產激光粒子計數器等。但這些儀器只能用來測量微粒的大小，對形狀的檢測很少涉及；不僅如此，這些儀器還存在接受角范圍局限、光敏區的光均勻性較差的缺陷。為此，在專利[CN201110346535.0]中，設計了一種旋轉對稱橢腔鏡的光學傳感器，用于測量微粒的大小及形狀，該傳感器有效地克服了接受角范圍局限性問題，對光敏區的光均勻性也有了一定改善，但由于大角散射光接收器僅采用位于三角形頂點的三個光電管，信息采集量過少，影響了形狀的檢測精度，對微粒的大小檢測也產生了一定的影響；此外，該設計中為改善光束均勻性而采用的光路布局結構復雜，易受運輸等影響。為此，本發明的目的在于提供一種結構合理，工作效果好的用旋轉對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學系統。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構合理、工作性能好的用旋轉對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學系統。

本發明的技術解決方案是：

一種用旋轉對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學系統，其特征是：包括旋轉對稱橢腔鏡，橢腔鏡由金屬制成、且內表面經拋光處理并鍍有反射膜，在橢腔鏡的外框上固裝激光器，并經一定光路布局后由光纖均勻性準直形成均勻性良好的平行光束，沿與旋轉對稱橢腔鏡旋轉對稱橢腔鏡的長軸方向入射到光敏區，入射光束與樣氣流匯于光敏區，即旋轉對稱橢腔鏡的一焦點處，前向散射光透過透鏡后經第一光闌后被光電倍增管接受，原方向入射光束射入光陷阱，所述光陷阱由金屬制成，且內壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內；除前向散射光外的大角范圍內的散射光匯聚于設有第二光闌的橢腔鏡的另一焦點，然后經一透鏡后被探測器面形CCD接受，第二光闌的設置用以防止雜散光進入探測器面形CCD，探測器面形CCD接收的信號經輸出后放大、處理。?

激光器射出的光束經第一聚焦透鏡后匯聚于一光纖接口，此接口為所述光纖的入射端面，激光器、第一聚焦透鏡、光纖接口固定在橢腔鏡的外框上；光纖的輸出端與另一接口相連，發出的光束經準直透鏡后形成平行光束，再經光闌及反射鏡后使光束沿與橢腔鏡長軸方向入射到光敏區，所述光纖的另一接口、準直透鏡也固定在橢腔鏡的外框上；激光器為功率50~100mW的半導體激光器。

光纖均勻性裝置采用圓形繞行2.5周的梯度折射率分布的光能傳輸光纖，并呈圓形環繞在旋轉對稱橢腔鏡的外框上。

前向散射光接受探測器為光電倍增管，除前向散射光外大角范圍內散射光探測器為面形CCD，且這兩種探測器位于橢腔鏡的長軸上、分居于橢腔鏡中心兩側。

樣氣的進、出氣通道與系統的主軸垂直，在樣氣進氣通道外套裝稀釋純凈氣通道，且稀釋純凈氣通道出口比樣氣進氣通道出口更靠近光敏區；進、出氣通道的直徑為2mm。

本發明的工作原理是：半導體激光器射出的光束經第一透鏡聚焦于一梯度折射率分布的光能傳輸光纖的輸入端面，該光纖沿圓形環繞旋轉對稱橢腔鏡行2.5周，光纖直徑2mm,?環繞半徑0.12m，輸出端光束經準直透鏡后形成平行光束，且其光束的均勻性良好，均勻光斑平頂因子可達0.82，該光束入射至旋轉對稱橢腔鏡的一焦點處，且入射方向為該橢腔鏡的長軸方向，在該焦點處與經稀釋的樣氣流相遇，即形成光敏區。由于大大提高了光敏區光束的均勻性，因而大大減小了由于微粒在光敏區位置不同的影響；由于采用了純凈氣稀釋法，減少了微粒在光敏區重疊的可能性以及在腔內的殘留，提高了微粒計數的準確性；由于采用基于前向的大角范圍接受的設計，既保證了采集微粒散射光的主要信息，又大大減小了微粒形狀及空間取向的影響。前向散射光被具有良好性能的光電倍增管接受，大角范圍內的其它散射光被面形CCD接受，以光電倍增管接受信號為主、CCD接受信號總值為輔的總信號大小用來確定微粒的大小；面形CCD的信號則用來確定微粒的形狀。