專利名稱：光學塵埃粒子計數器的光學探頭的制作方法
技術領域：
本發明是潔凈環境潔凈度的檢測儀器——光學塵埃粒子計數器的一種光學探頭。
在先技術中，中國科學院上海光學精密機械研究所提供的專利號為ZL99225686.0的“白光塵埃粒子計數器的高效光學探頭”，如圖1所示。該光學探頭主要由相互垂直的照明光路和散射光收集光路組成。其中的照明光路由光源1、照明透鏡組2、光敏感區3、第一球面反射鏡4和光陷阱5組成，光源1是白熾燈泡，第一球面反射鏡4的球心與光敏感區3的中心點O重合；散射光收集光路由第二球面反射鏡6、聚焦鏡7、視場光闌8和光電探測器9組成，第二球面反射鏡6的球心與光敏感區3的中心點O重合，光電探測器9是光電倍增管；光敏感區3的中心點O是照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2的交點。
該光學探頭存在以下缺點1．光能利用率較低，光敏感區照度也較低。該光學探頭照明光路上的光源1發出的全部能量中，只有很小一部分光能量能進入照明透鏡組2照亮光敏感區3。其照明透鏡組2的孔徑半角僅為20°，對光源1所張的立體角公為0.121π球面度。這影響了該光學探頭的靈敏度，其最小探測粒徑通常是0.30μm。
2．散射光收集光路的集光效率較低。該光學探頭只能在垂直于照明光路光軸的一個方向上由第二球面反射鏡6收集塵埃粒子的散射光，其接收孔徑半角只有38.7°，對光敏感區3所張的立體角為0.439π球面度。因而信號較弱，信噪比低，該光學探頭對于0.30μm粒子的信噪比通常低于3∶1。
第一、第二球面反射鏡4和6的使用，尚未使該光學探頭獲得足夠好的性能。
3．粒徑探測范圍較小，只有1∶33。由于該光學探頭的照明光路的數值孔徑小，且散射光收集光路對光敏感區3所張的立體角小，使得散射光強度相對于塵埃粒子直徑的響應特性曲線的單調性差，特別是在大粒徑區域存在多值性，這就限制了其粒徑探測范圍。
4．為了保證該光學探頭具有一定的性能，必須采用大功率的光源燈泡(其功率通常為20W)及高靈敏度的光電倍增管。從而導致該光學探頭發熱嚴重，需要降溫，體積大，嚴重的發熱還影響了該光學探頭的檢測穩定性。
5．光敏感區3小，導致氣流橫截面積小，只有φ1.8mm，無法實現大流量測量，其空氣采樣流量為2.83L/min(分)，所以測量時間長，效率低。該光學探頭測量10級潔凈室的一個點需要20min，測量1級潔凈室的一個點需要200min。
本發明的目的是為了克服上述光學探頭的不足，為潔凈度檢測提供一種高效率的光學塵埃粒子計數器光學探頭。其最小探測粒徑要優于0.20μm，計數效率和粒徑集中度高于80％；且將具有信噪比較高、靈敏度較高、測量速度快、粒徑探測范圍大、穩定性好、體積小、發熱少的特點。
本發明光學探頭的結構中含有兩條相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿著光源1發射光束G前進的方向上，依次置有第一齊明透鏡10、照明透鏡組2、第二齊明透鏡8、第一球面反射鏡4和光陷阱5，第一球面反射鏡4置于光陷阱5內，其球心與光敏感區3的中心點O重合。散射光收集光路的光軸O2O2與照明光路的光軸O1O1在照明光路上照明透鏡組2與第一球面反射鏡4之間垂直相交的交點O是光敏感區3的中心點O。在散射光收集光路上，在光敏感區3的一側置有第二球面反射鏡6；在光敏感區3與第二球面反射鏡6相對的另一側的散射光收集光路上，從光敏感區3開始依次置有第三齊明透鏡12、接收透鏡組13、視場光闌8和光電探測器9。也就是說，第三齊明透鏡12置于光敏感區3與接收透鏡組13之間的散射光收集光路上。第二球面反射鏡6的球心與光敏感區3的中心點O重合；視場光闌8位于接收透鏡組13與光電探測器9之間，且與光敏感區3的中心點O共軛。如圖2所示。
從本發明的結構如圖2與在先技術的結構如圖1比較，本發明的特點就是在光源1與照明透鏡組2之間的照明光路上置有第一齊明透鏡10，在照明透鏡組2與光敏感區3之間的照明光路上置有第二齊明透鏡11。在光敏感區3與接收透鏡組13之間的散射光收集光路上置有第三齊明透鏡12。
本發明中所說的第一、第二、第三齊明透鏡10、11和12是一個單透鏡，如圖3所示，其一面為凹球面，另一面為凸球面，在其凹球面一側存在一對共軛點，即第一共軛點A和第二共軛點A′，其中第一共軛點A位于凹球面球心上，第二共軛點A′位于凹球面球心之外。一束從第一共軛點A出發、數值孔徑為sinU的發散球面光束，通過第一齊明透鏡后，將成為另一束數值孔徑sinU′=(sinU)/n、且以第二共軛點A′為球心的發散光束，n為齊明透鏡的折射率。在光束的傳輸過程中，不引入球差和近軸彗差，但可改變其數值孔徑。反之，可把入射到齊明透鏡的數值孔徑為sinU′的會聚球面光束無像差地變換為另一束數值孔徑為sinU=nsinU′的會聚球面光束；同時像點A向齊明透鏡移動，使像距縮短為原來的l/n。利用齊明透鏡的這個特性，在不引入像差的情況下，可以把光學系統的數值孔徑提高到原來的n倍，從而大大提高光學系統對光能的利用率。使用三個齊明透鏡10、11、12后，可使本發明的光學探頭的性能得到顯著提高。
本發明中的光源1可以是白熾燈，也可以是低功耗的半導體激光器。
本發明中的第一齊明透鏡10可以增大照明光路的數值孔徑，使從光源1發出的進入照明透鏡組2的光能大幅度增加，即提高了光源1的光能利用率。如果第一齊明透鏡10的折射率為n，照明透鏡組2的數值孔徑為sinU′，則采用齊明透鏡10以后照明光路的數值孔徑提高到nsinU′，而光能利用率提高到原來的sin2{[sin-1(nsinU′)]/2}/sin2(U′/2)倍。第一齊明透鏡10與第二齊明透鏡11相對于照明透鏡組2對稱放在兩端，第一、第二齊明透鏡10與11一起使用，可使照明光路放大倍率與只使用照明透鏡組2時保持一致。使用兩個齊明透鏡10與11以后，還使照明光路的物距和像距縮短至原來的l/n，因而照明光路總長度縮短。可以看出，三個齊明透鏡10、11、12的折射率n越大，越有利于光學探頭性能的提高。
本發明中的第一球面反射鏡4的反射面鍍有高反射率介質光學薄膜，或者是增強型鋁全反射膜，其反射率大于96％。其作用是把進入光陷阱5的照明光束反射回光敏感區3，使被測塵埃粒子受到兩個方向的光能的照射，照明光強提高一倍；同時，可以使光敏感區3處的光源1燈絲像經第一球面反射鏡4反射后再成像于光敏感區3，調整第一球面反射鏡4可使兩個燈絲像適當錯開，從而克服了單一方向照明時光敏感區3的照明光強不均勻性。
本發明中的第二球面反射鏡6的反射面鍍有高反射率介質光學薄膜，或者是增強型鋁全反射膜，其反射率大于96％。其作用是把通過光敏感區3的被測塵埃粒子發出的與第三齊明透鏡12相對的一側的散射光會聚到光敏感區3，進而進入接收透鏡組13，從而使散射光信號強度增大一倍。
本發明中置于光敏感區3與接收透鏡組13之間的散射光收集光路上的第三齊明透鏡12的作用是增大散射光收集光路的數值孔徑，進而提高散射光信號的強度。它對散射光信號的提高幅度與照明光路中的第一齊明透鏡10相同。
本發明中的視場光闌8的通光口徑為長方形，其作用有兩個一是阻止粒子散射光以外的雜光進入光電探測器9；二是使光電探測器9輸出的所有脈沖信號具有相同的寬度，保證脈沖信號在被后繼電路處理時得到相同的放大倍率，這樣可提高檢測結果的準確度。
本發明中的光電探測器9不僅可以采用端窗式的光電倍增管，或者采用側窗式的光電倍增管，或者采用光電二極管，或者采用光電池。
本發明的工作過程是光源1發出的光能量通過第一齊明透鏡10、照明透鏡組2和第二齊明透鏡11照亮光敏感區3后，進入光陷阱5，又被其中的第一球面反射鏡4反射回到光敏感區3；待測塵埃粒子以一定速度且垂直于兩光軸O1O1和光軸O2O2流過光敏感區3時產生與其直徑成比例的散射光，在與照明光路光軸O1O1垂直的兩個方向上在一定立體角范圍內的散射光被第二球面反射鏡6、第三齊明透鏡12和接收透鏡組13收集并會聚，通過視場光闌8投射到光電探測器9上，光電探測器9輸出一個與塵埃粒子大小成一定比例的電信號，該電信號被后繼電路處理后得到相應的粒子直徑值。
本發明的優點，與在先技術相比1．光能利用率較高，光敏感區3照度較高。因為第一齊明透鏡10使照明光路的數值孔徑提高到nsinU′，從而使進入光敏感區3的光能量提高到原來的sin2{[sin-1(nsinU′)]/2}/sin2(U′/2)倍。因此，本發明光學探頭的靈敏度、計數效率和粒徑集中度都大為提高；2．散射光收集光路的集光效率較高。因為第二球面反射鏡6、第三齊明透鏡12和接收透鏡組13雙向、大角度接收散射光。第二球面反射鏡6把流過光敏感區3的塵埃粒子發出的另一個方向上的散射光反射到第三齊明透鏡12，進入接收透鏡組13，其對塵埃粒子的散射光集光效率可提高2sin2{[sin-1(n sinU′)]/2}/sin2(U′/2)倍，這使本發明光學探頭的信號強度和信噪比都得到提高，從而提高了光學探頭的靈敏度；3．本發明的散射光強度相對于塵埃粒子直徑的響應特性曲線的單調性好。因為第二球面反射鏡6和第三齊明透鏡12擴大了散射收集光路對塵埃粒子散射光的接收范圍，從而使光散射響應特性曲線平滑、起伏小、粒徑探測范圍大；4．由于本發明的光學探頭的光能利用率高，所以可以采用小功率的白熾燈泡或者是半導體激光器作為光源1，同時可以采用低增益的側窗式光電倍增管、或者是光電二極管，或者是光電池作為光電探測器9。從而降低了發熱量與電損耗，同時又減小了光學探頭的體積；5．由于在上述光路中置有三個齊明透鏡10、11和12，使得本發明的光學探頭檢測速度比在先技術的檢測速度提高10倍以上。
圖1是在先技術白光塵埃粒子計數器的高效光學探頭的結構示意圖。
圖2是本發明的光學塵埃粒子計數器光學探頭的結構示意圖。
圖3是本發明的光學塵埃粒子計數器光學探頭中齊明透鏡的結構示意圖。
實施例如圖2的結構所示。光源1是特制鹵鎢燈，功率為10W；第一、第二和第三齊明透鏡10、11和12的結構完全相同，其兩個表面的曲率半徑分別為-16.8mm和-10.188mm，折射率n=1.806；照明透鏡組2由四塊焦距均為30mm、結構完全相同的雙膠合透鏡組成，照明光路的總放大倍率等于1，照明光路的孔徑半角U=42°，其對光源1所張立體角為0.514π球面度，是在先技術光學探頭的4.25倍。光源1與第一齊明透鏡10對著光源1的表面之間的距離，以及第二齊明透鏡11對著光敏感區3表面與光敏感區3的中心點O之間的距離均為10.188mm；光敏感區3的尺寸為2mm×2mm×0.8mm；第一、第二球面反射鏡4和6的球面半徑為18mm，通光口徑為φ26mm，其反射面鍍有高反射率的增強型鋁膜，其球心與光敏感區3的中心點O重合。第三齊明透鏡12與光敏感區中心點O的距離為10.188mm。散射光收集光路對散射光總的有效收集立體角為1.027π球面度，是在先技術光學探頭的2.34倍。視場光闌8是通光口徑為3mm×1.2mm的長方形，且其長邊方向垂直于塵埃粒子通過光敏感區3的軌跡。光電探測器9是光電二極管，位于視場光闌8之后約3mm處。由于使用了三個齊明透鏡10、11、12，本發明的總信號強度提高到在先技術光學探頭的9.945倍實施例的最小探測粒徑為0.18μm，可探測粒徑范圍為0.18～20μm，也就是粒徑探測范圍為1∶110，最小探測粒徑處的信噪比為4.5∶1，計數效率和粒徑集中度均可達85％，超過國家計量檢定規程JJG547-88的要求；空氣采樣流量為5.66L/min，符合美國聯邦標準209E關于空氣采樣流量的要求；本發明光學探頭的發熱量少，檢測結果穩定可靠；結構緊湊，外形尺寸為153mm×95mm×70mm，不到在先技術的一半。
當使照明光路的總放大倍率等于n倍時，使光敏感區3的尺寸增大到3.6mm×3.6mm×1.6mm，相應地氣流橫截面增大到φ3.4mm，從而使本發明光學探頭的空氣采樣流量達到28.3L/min，可實現對潔凈環境的快速檢測。采用本發明光學探頭測量10級潔凈室的一個點只需要2min，測量1級潔凈室的一個點只需要20min。檢測速度均比在先技術提高10倍以上。
權利要求
1．一種光學塵埃粒子計數器的光學探頭，含有兩條相互垂直的照明光路和散射光收集光路，在照明光路上，沿著光源(1)發射光束(G)前進的方向上，依次置有照明透鏡組(2)和置于光陷阱(5)內的第一球面反射鏡(4)，散射光收集光路的光軸(O2O2)與照明光路的光軸(O1O1)在照明光路上照明透鏡組(2)與第一球面反射鏡(4)之間垂直相交的一點(O)是光敏感區(3)的中心點(O)；在散射光收集光路上，在光敏感區(3)的一側置有第二球面反射鏡(6)，在光敏感區(3)與第二球面反射鏡(6)相對的另一側的散射光收集光路上，從光敏感區(3)開始，依次置有接收透鏡組(13)、視場光闌(8)和光電探測器(9)，其特征在于在光源(1)與照明透鏡組(2)之間的照明光路上置有第一齊明透鏡(10)，在照明透鏡組(2)與光敏感區(3)之間的照明光路上置有第二齊明透鏡(11)，在光敏感區(3)與接收透鏡組(13)之間的散射光收集光路上置有第三齊明透鏡(12)。
2．根據權利要求1所述的光學塵埃粒子計數器的光學探頭，其特征在于所說的第一齊明透鏡(10)、第二齊明透鏡(11)和第三齊明透鏡(12)均是一個一面為凹球面、另一面為凸球面的單透鏡，在它的凹球面一側存在一個位于凹球面球心上的第一共軛點(A)，和位于凹球面球心之外的第二共軛點(A′)。
全文摘要
一種光學塵埃粒子計數器的光學探頭,含有兩條相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上,于光源和照明透鏡組之間置有第一齊明透鏡,于照明透鏡組和光敏感區之間置有第二齊明透鏡。在散射光收集光路上,于光敏感區和接收透鏡組之間置有第三齊明透鏡。由于上述光路中置有三個齊明透鏡,使得本發明具有較高的靈敏度、計數效率、粒徑集中度、準確度和信噪比。檢測速度比在先技術提高10倍以上。
文檔編號G01N21/47GK1309289SQ0110581
公開日2001年8月22日 申請日期2001年3月30日 優先權日2001年3月30日
發明者黃惠杰, 趙永凱, 杜龍龍, 程兆谷, 路敦武 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所