提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，激光束經(jīng)光纖均勻化處理后，形成均勻性良好的平行光束，并通過合理的光路布局沿球面腔鏡系統(tǒng)主軸方向射入到旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡內(nèi)，與樣氣流匯聚于旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點(diǎn)，樣氣流沿垂直于系統(tǒng)主軸方向?qū)?，粒子前向散射光信號被一光電倍增管接受，用以作為粒子大小測量的主要信號。除前向以外的散射光在大角范圍內(nèi)射向旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的另一焦點(diǎn)，在此焦點(diǎn)后的物鏡像平面上置一面形CCD，主要用于檢出粒度的形狀信息。本發(fā)明布局巧妙，結(jié)構(gòu)合理，工作效果好。
【專利說明】提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明是申請?zhí)?201310307346.1，名稱:“用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)”，申請日:2013.7.22的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0003]微粒檢測技術(shù)在科學(xué)研究、工業(yè)場所、大氣環(huán)境監(jiān)測中起到至關(guān)重要的作用。其檢測技術(shù)主要有光學(xué)法、電學(xué)法、動(dòng)力學(xué)法，其中光學(xué)法以測量范圍廣、不接觸樣品、快速、可自動(dòng)化實(shí)時(shí)而被最廣泛地應(yīng)用，典型的儀器如庫爾特儀、Climet和ROYCO粒子計(jì)數(shù)器、國產(chǎn)激光粒子計(jì)數(shù)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(qū)的光均勻性較差的缺陷。為此，在專利[CN201110346535.0]中，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的光學(xué)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(qū)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(diǎn)的三個(gè)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(chǎn)生了一定的影響；此外，該設(shè)計(jì)中為改善光束均勻性而采用的光路布局結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受運(yùn)輸?shù)扔绊?。為此，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，工作效果好的用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理、工作性能好的用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是:包括旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡，橢腔鏡由金屬制成、且內(nèi)表面經(jīng)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(jīng)一定光路布局后由光纖均勻性準(zhǔn)直形成均勻性良好的平行光束，沿與旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的長軸方向入射到光敏區(qū)，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，前向散射光透過透鏡后經(jīng)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(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內(nèi)；除前向散射光外的大角范圍內(nèi)的散射光匯聚于設(shè)有第二光闌的橢腔鏡的另一焦點(diǎn)，然后經(jīng)一透鏡后被探測器面形CXD接受，第二光闌的設(shè)置用以防止雜散光進(jìn)入探測器面形(XD，探測器面形CXD接收的信號經(jīng)輸出后放大、處理。
[0006]激光器射出的光束經(jīng)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(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后形成平行光束，再經(jīng)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(qū)，所述光纖的另一接口、準(zhǔn)直透鏡也固定在橢腔鏡的外框上；激光器為功率5(Tl00mW的半導(dǎo)體激光器。
[0007]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(huán)繞在旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的外框上。
[0008]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(nèi)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(cè)。
[0009]樣氣的進(jìn)、出氣通道與系統(tǒng)的主軸垂直，在樣氣進(jìn)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(jìn)氣通道出口更靠近光敏區(qū)；進(jìn)、出氣通道的直徑為2mm。
[0010]本發(fā)明的工作原理是:半導(dǎo)體激光器射出的光束經(jīng)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(huán)繞旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡行2.5周,光纖直徑2mm,環(huán)繞半徑0.12m，輸出端光束經(jīng)準(zhǔn)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(dá)0.82，該光束入射至旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，且入射方向?yàn)樵摍E腔鏡的長軸方向，在該焦點(diǎn)處與經(jīng)稀釋的樣氣流相遇，即形成光敏區(qū)。由于大大提高了光敏區(qū)光束的均勻性，因而大大減小了由于微粒在光敏區(qū)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(qū)重疊的可能性以及在腔內(nèi)的殘留，提高了微粒計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性；由于采用基于前向的大角范圍接受的設(shè)計(jì)，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(nèi)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??；面形CCD的信號則用來確定微粒的形狀。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:1、采用面形(XD，可以大大提高微粒形狀的檢測準(zhǔn)確性。2、采用巧妙且合理的光纖均勻化光束布局，大大提高了激光束的光束均勻性，同時(shí)構(gòu)成簡潔、方便實(shí)用、不受運(yùn)輸?shù)挠绊憽?、光電倍增管與面形CCD接受的組合式微粒大小檢測方法，在保證接受前向散射主要信息的同時(shí)，也因?yàn)镃CD較過去的光電管采集了更多的信息，而在一定程度上提高了微粒大小測量的精度。4、采用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡接受散射光，最大程度地增加了接受角范圍，較大程度地減小了微粒形狀及空間取向的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0013]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是圖1中光纖均勻化光束的具體布置示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]一種用旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡20，橢腔鏡由金屬制成、且內(nèi)表面經(jīng)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(jīng)一定光路布局后由光纖均勻性準(zhǔn)直形成均勻性良好的平行光束，沿與旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的長軸方向入射到光敏區(qū)，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，前向散射光透過透鏡12后經(jīng)第一光闌10后被光電倍增管11接受，原方向入射光束經(jīng)反射鏡9射入光陷阱13，所述光陷阱由金屬制成，且內(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內(nèi)；除前向散射光外的大角范圍內(nèi)的散射光匯聚于設(shè)有第二光闌17的橢腔鏡的另一焦點(diǎn)，然后經(jīng)一透鏡18后被探測器面形(XD19接受，第二光闌的設(shè)置用以防止雜散光進(jìn)入探測器面形CCD，探測器面形CCD接收的信號經(jīng)輸出后放大、處理。
[0016]激光器I射出的光束經(jīng)第一聚焦透鏡2后匯聚于一光纖接口 3，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 4相連，發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡5后形成平行光束，再經(jīng)第三光闌6及反射鏡7、8后使光束沿與橢腔鏡長軸方向入射到光敏區(qū)，所述光纖的另一接口、準(zhǔn)直透鏡也固定在橢腔鏡的外框上；激光器為功率5(Tl00mW的半導(dǎo)體激光器。
[0017]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(huán)繞在旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的外框上。
[0018]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(nèi)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(cè)。
[0019]樣氣的進(jìn)、出氣通道14、16與系統(tǒng)的主軸垂直，在樣氣進(jìn)氣通道外套裝稀釋純凈氣通道15，且稀釋純凈氣通道出口比樣氣進(jìn)氣通道出口更靠近光敏區(qū)；進(jìn)、出氣通道的直徑為2mm。
【權(quán)利要求】
1.一種提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是:包括旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡，橢腔鏡由金屬制成、且內(nèi)表面經(jīng)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(jīng)一定光路布局后由光纖均勻性準(zhǔn)直形成均勻性良好的平行光束，沿與旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的長軸方向入射到光敏區(qū)，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，前向散射光透過透鏡后經(jīng)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(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內(nèi)；除前向散射光外的大角范圍內(nèi)的散射光匯聚于設(shè)有第二光闌的橢腔鏡的另一焦點(diǎn)，然后經(jīng)一透鏡后被探測器面形C⑶接受，第二光闌的設(shè)置用以防止雜散光進(jìn)入探測器面形CCD，探測器面形CCD接收的信號經(jīng)輸出后放大、處理； 激光器射出的光束經(jīng)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(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后形成平行光束，再經(jīng)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(qū)，所述光纖的另一接口、準(zhǔn)直透鏡也固定在橢腔鏡的外框上；激光器為功率5(Tl00mW的半導(dǎo)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(huán)繞在旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是:激光器為功率5(Tl00mW的半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高檢測準(zhǔn)確性的檢測微粒大小及形狀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是:在橢腔鏡的外框上固裝激光器。
【文檔編號】G01N15/02GK104458510SQ201410717955
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】戴兵, 戴未然, 袁銀男 申請人:南通大學(xué)