一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮顆 粒物的檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 相關(guān)技術(shù)中的運(yùn)用于氣體中懸浮顆粒物光學(xué)傳感器的照明系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)光束整形 的方式大抵都是先對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，然后再做點(diǎn)聚焦或者是一維聚焦。該種方式一方面產(chǎn) 生了裝配過(guò)程中準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)元件的光學(xué)同軸度的問(wèn)題；另一方面由于聚焦元件的焦距 較短，使得光敏區(qū)的縱向方向長(zhǎng)度受限，從而對(duì)于光學(xué)元件和氣道W及散光收集系統(tǒng)都進(jìn) 一步提高了要求。
[0003] 其中，相關(guān)技術(shù)中的測(cè)量塵埃粒子的低噪聲光學(xué)傳感器，在光源準(zhǔn)直的基礎(chǔ)上，采 用點(diǎn)聚焦旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱透鏡進(jìn)行匯聚。該種方式具有明顯的缺點(diǎn)。由于被測(cè)氣道具有一定的 截面積，那么在光敏區(qū)上，在被測(cè)氣道離中屯、點(diǎn)不同的位置，其光強(qiáng)的分布是極不均勻的。 如此產(chǎn)生了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問(wèn)題。
[0004] 相關(guān)技術(shù)中的光散射式塵埃粒子測(cè)量?jī)x的光學(xué)裝置，采用發(fā)出平行激光束的激 光光源組件，并由一柱面鏡進(jìn)行一維聚焦，該柱面鏡母線與該光源組件輸出的楠圓形光束 的截面的長(zhǎng)軸方向成20°?80°角。相關(guān)技術(shù)中的激光粉塵測(cè)量?jī)x光學(xué)探頭采用半導(dǎo)體 激光器，并由一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，然后由一柱面透鏡進(jìn)行一維聚焦。該兩個(gè)裝置都為先準(zhǔn) 直后聚焦，但該種先準(zhǔn)直后聚焦的方式會(huì)使聚焦鏡的后焦長(zhǎng)較短，光敏區(qū)縱向長(zhǎng)度受到一 定的限制，若增長(zhǎng)后焦長(zhǎng)的話則不利于整個(gè)光學(xué)傳感器的小型化。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本實(shí) 用新型的一個(gè)目的在于提出一種一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得光敏區(qū)的光強(qiáng)分布趨于均 勻，采用單個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光束的一維聚焦，減少了光學(xué)元件的數(shù)量，降低了成本，且 在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在縱向較長(zhǎng)的光敏區(qū)，使得 光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
[0006] 本實(shí)用新型的第二個(gè)目的在于提出一種氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型第一方面實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，包括：半導(dǎo) 體激光源，所述半導(dǎo)體激光源用于發(fā)射激光束；W及與所述半導(dǎo)體激光源同軸設(shè)置的光學(xué) 透鏡，所述光學(xué)透鏡用于將所述激光束導(dǎo)向至光敏區(qū)，其中，所述光學(xué)透鏡具有光源面和出 光面，所述光源面為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱凸非球面，所述出光面為凸非球面柱面。
[000引根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，具有W下有益效果；（1)采用單個(gè) 透鏡實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光束的一維聚焦，減少了光學(xué)元件的數(shù)量，降低了成本，同時(shí)避免了裝配 過(guò)程中的準(zhǔn)直和聚焦兩者間的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題；（2)可在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)光學(xué)透鏡 的后焦距，從而具有在縱向較長(zhǎng)的光敏區(qū)，使得光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
[0009] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述凸非球面柱面的母線與所述激光束的楠圓光 斑的長(zhǎng)軸平行。
[0010] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述光學(xué)透鏡采用光學(xué)塑料材料。
[0011] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體激光源為激光二極管。
[0012] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述光學(xué)透鏡的后焦距通過(guò)W下公式確定：
[0013] f 羣 ddlJi/巧入），
[0014] 其中，f為所述光學(xué)透鏡的后焦距，d為被測(cè)塵埃顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)直徑，dl為所述 激光束的直徑，A為所述激光束的波長(zhǎng)。
[0015] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述激光束的激光直徑通過(guò)W下公式確定：
[0016] dl =化/(21n(S)-1)1/2，
[0017] 其中，dl為所述激光束的直徑，5為所述光敏區(qū)照明均勻性要求，b為所述激光束 中滿足所述光敏區(qū)照明均勻性要求5所需要的區(qū)域?qū)挾取?br>[001引為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型第二方面實(shí)施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝 置，包括本實(shí)用新型第一方面實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和設(shè)置在所述光敏區(qū)的傳感器。
[0019] 根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置，由于具有了一維聚焦光 學(xué)系統(tǒng)，減少了光學(xué)元件的數(shù)量，降低了成本，避免了光學(xué)系統(tǒng)裝配過(guò)程中的準(zhǔn)直和聚焦兩 者間的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，而且可在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在 縱向較長(zhǎng)的光敏區(qū)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)具體實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)的立體示意圖；
[0022] 圖3是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)具體實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)的Y-Z平面示意圖；
[0023] 圖4是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)具體實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)的X-Z平面示意圖；
[0024] 圖5是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參 考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對(duì)本實(shí)用新型 的限制。
[0026] 下面參考附圖1-圖5描述本實(shí)用新型實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮 顆粒物的檢測(cè)裝置。
[0027] 圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所 示，一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)10,包括；半導(dǎo)體激光源100和與半導(dǎo)體激光源100同軸設(shè)置的光學(xué) 透鏡200。
[002引其中，半導(dǎo)體激光源100用于發(fā)射激光束；光學(xué)透鏡200用于將激光束導(dǎo)向至光敏 區(qū)，其中，光學(xué)透鏡200具有光源面和出光面，光源面為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱凸非球面，出光面為凸 非球面柱面。如圖2所示，光學(xué)透鏡200朝向光源的一面（光源面）為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱凸非球 面L11，光學(xué)透鏡200朝向光敏區(qū)的一面（出光面）為凸非球面柱面L12。
[0029] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，凸非球面柱面L12的母線與激光束的楠圓光斑的 長(zhǎng)軸平行。
[0030] 在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)透鏡200采用光學(xué)塑料材料。
[0031] 在本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例中，如圖2所示，半導(dǎo)體激光源100為激光二極管 LD。
[0032] 具體地，凸非球面L11對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，凸非球面柱面L12則對(duì)激光楠圓光斑長(zhǎng) 軸方向進(jìn)行會(huì)聚，從而實(shí)現(xiàn)激光束的一維聚焦。其中，如圖3所示，凸非球面柱面L12對(duì)半 導(dǎo)體激光源100發(fā)出的楠圓光束的長(zhǎng)軸方向進(jìn)行聚焦，如圖4所示，凸非球面L11對(duì)半導(dǎo)體 激光源100發(fā)出的楠圓光束的短軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0033] 進(jìn)一步地，由于被測(cè)塵埃顆粒的采樣氣道具有一定的口徑，因此，該里對(duì)激光束的 整形需要使得光敏區(qū)的光強(qiáng)分布趨于均勻。半導(dǎo)體激光源100發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直面 后，被柱面一維聚焦于光敏區(qū)。依被測(cè)塵埃顆粒的量程，對(duì)光敏區(qū)束腰半徑有一定的要求。 激光束的束腰半徑可由高斯光束的特性參數(shù)求出，根據(jù)Washington給出的估算束腰半徑 公式，則有：
[0034] W = 4 入 f/(dl 31) ^ d/2， (1)
[0035] 其中，A為激光束的波長(zhǎng)，f為光學(xué)透鏡的后焦距，dl為激光束的直徑（由激光束 截面中強(qiáng)度下降到軸上點(diǎn)1/V處的口徑，其中，軸是指半導(dǎo)體激光源與光學(xué)透鏡所在的中 屯、軸），d為被測(cè)塵埃顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)直徑。
[0036] 根據(jù)公式（1)，假設(shè)已知被測(cè)塵埃顆粒空氣動(dòng)力學(xué)直徑t激光波長(zhǎng)A，則可得出 透鏡后焦距f與激光直徑dl關(guān)系式：
[0037] f^ddl3Tパ8入）， 似
[003引滿足關(guān)系式（2)條件下，可W較為準(zhǔn)確測(cè)定小于或等于空氣動(dòng)力學(xué)直徑為d的塵 埃顆粒。
[0039] 根據(jù)光敏區(qū)的尺寸和集中度的要求，確定光學(xué)系統(tǒng)的形式。由集中度的要求，可W 確定光敏區(qū)照明均勻性的要求。假設(shè)照明均勻性要求為8,則激光束中滿足此要求的區(qū)域 寬度為；b =山/2(2111(5)-1)1/2，則.
[0040] dl =化八2111( S )-1)1/2， (3)
[0041] 其中，區(qū)域?qū)挾萣由采樣氣體流量及采樣口大小確定。
[0042] 根據(jù)公式（2)、（3)可確定滿足光敏區(qū)照明條件的透鏡后焦距f的最小值W及激光 直徑dl。一般地，雖然對(duì)透鏡后焦距f無(wú)上限要求，但考慮元件尺寸的限制，W及器件最小 化的要求，我們會(huì)取一個(gè)滿足條件的f值，約為其最小值。從而確定了透鏡的口徑及其后焦 位。
[0043] 下面W-個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明dl和f的計(jì)算過(guò)程。表1所示為本實(shí)用新型的一 個(gè)實(shí)施例的參數(shù)。
[0044] 表 1
[0045]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 半導(dǎo)體激光源，所述半導(dǎo)體激光源用于發(fā)射激光束；W及 與所述半導(dǎo)體激光源同軸設(shè)置的光學(xué)透鏡，所述光學(xué)透鏡用于將所述激光束導(dǎo)向至光 敏區(qū)，其中，所述光學(xué)透鏡具有光源面和出光面，所述光源面為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱凸非球面，所述 出光面為凸非球面柱面。
2. 如權(quán)利要求1所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述凸非球面柱面的母線與 所述激光束的楠圓光斑的長(zhǎng)軸平行。
3. 如權(quán)利要求1所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)透鏡采用光學(xué)塑料 材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光源為激光二 極管。
5. 如權(quán)利要求1所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)透鏡的后焦距通過(guò) W下公式確定： f ^ ddl 31/巧入）， 其中，f為所述光學(xué)透鏡的后焦距，d為被測(cè)塵埃顆粒空氣動(dòng)力學(xué)直徑，dl為所述激光 束的直徑，A為所述激光束的波長(zhǎng)。
6. 如權(quán)利要求5所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束的激光直徑通過(guò) W下公式確定： dl =化/(21n(S)-i)i/2， 其中，dl為所述激光束的直徑，5為所述光敏區(qū)照明均勻性要求，b為所述激光束中滿 足所述光敏區(qū)照明均勻性要求5所需要的區(qū)域?qū)挾取?br>7. -種氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置，其特征在于，包括； 如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)；W及 設(shè)置在所述光敏區(qū)的傳感器。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和一種氣體中懸浮顆粒物的檢測(cè)裝置，其中，所述系統(tǒng)包括：半導(dǎo)體激光源，半導(dǎo)體激光源用于發(fā)射激光束；以及與半導(dǎo)體激光源同軸設(shè)置的光學(xué)透鏡，光學(xué)透鏡用于將激光束導(dǎo)向至光敏區(qū)，其中，光學(xué)透鏡具有光源面和出光面，光源面為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱凸非球面，出光面為凸非球面柱面。本實(shí)用新型的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，使得光敏區(qū)的光強(qiáng)分布趨于均勻，采用單個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光束的一維聚焦，減少了光學(xué)元件的數(shù)量，降低了成本，且在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在縱向較長(zhǎng)的光敏區(qū)，使得光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
【IPC分類】G02B19-00, G02B3-02, G02B3-06
【公開(kāi)號(hào)】CN204287526
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420719292
【發(fā)明人】邱欣周, 劉國(guó)寧, 郝鵬飛, 張瓊晉
【申請(qǐng)人】比亞迪股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年11月25日