專利名稱:一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開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)軸對稱凸非球面，出光面為凸非球面柱面。本實用新型的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)，使得光敏區(qū)的光強分布趨于均勻，采用單個透鏡實現(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)上增長光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在縱向較長的光敏區(qū)，使得光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
【專利說明】-維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(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 粒物的檢測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 相關(guān)技術(shù)中的運用于氣體中懸浮顆粒物光學(xué)傳感器的照明系統(tǒng)，其實現(xiàn)光束整形 的方式大抵都是先對光束進行準(zhǔn)直，然后再做點聚焦或者是一維聚焦。該種方式一方面產(chǎn) 生了裝配過程中準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)元件的光學(xué)同軸度的問題；另一方面由于聚焦元件的焦距 較短，使得光敏區(qū)的縱向方向長度受限，從而對于光學(xué)元件和氣道W及散光收集系統(tǒng)都進 一步提高了要求。
[0003] 其中，相關(guān)技術(shù)中的測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 用點聚焦旋轉(zhuǎn)軸對稱透鏡進行匯聚。該種方式具有明顯的缺點。由于被測氣道具有一定的 截面積，那么在光敏區(qū)上，在被測氣道離中屯、點不同的位置，其光強的分布是極不均勻的。 如此產(chǎn)生了測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問題。
[0004] 相關(guān)技術(shù)中的光散射式塵埃粒子測量儀的光學(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 的截面的長軸方向成20°?80°角。相關(guān)技術(shù)中的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭采用半導(dǎo)體 激光器，并由一準(zhǔn)直透鏡進行準(zhǔn)直，然后由一柱面透鏡進行一維聚焦。該兩個裝置都為先準(zhǔn) 直后聚焦，但該種先準(zhǔn)直后聚焦的方式會使聚焦鏡的后焦長較短，光敏區(qū)縱向長度受到一 定的限制，若增長后焦長的話則不利于整個光學(xué)傳感器的小型化。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實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)問題之一。為此，本實 用新型的一個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)的光強分布趨于均 勻，采用單個透鏡實現(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)上增長光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在縱向較長的光敏區(qū)，使得 光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
[0006] 本實用新型的第二個目的在于提出一種氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型第一方面實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)軸對稱凸非球面，所述出光面為凸非球面柱面。
[000引根據(jù)本實用新型實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 透鏡實現(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，同時避免了裝配 過程中的準(zhǔn)直和聚焦兩者間的對準(zhǔn)問題；（2)可在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長光學(xué)透鏡 的后焦距，從而具有在縱向較長的光敏區(qū)，使得光學(xué)系統(tǒng)具有較好的裝配允差。
[0009] 在本實用新型的一個實施例中，所述凸非球面柱面的母線與所述激光束的楠圓光 斑的長軸平行。
[0010] 在本實用新型的一個實施例中，所述光學(xué)透鏡采用光學(xué)塑料材料。
[0011] 在本實用新型的一個實施例中，所述半導(dǎo)體激光源為激光二極管。
[0012] 在本實用新型的一個實施例中，所述光學(xué)透鏡的后焦距通過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為被測塵埃顆粒空氣動力學(xué)直徑，dl為所述 激光束的直徑，A為所述激光束的波長。
[0015] 在本實用新型的一個實施例中，所述激光束的激光直徑通過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引為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型第二方面實施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測裝 置，包括本實用新型第一方面實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)本實用新型實施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置，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)裝配過程中的準(zhǔn)直和聚焦兩 者間的對準(zhǔn)問題，而且可在光學(xué)系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上增長光學(xué)透鏡的后焦距，從而具有在 縱向較長的光敏區(qū)。

【附圖說明】

[0020] 圖1是根據(jù)本實用新型一個實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)本實用新型一個具體實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)本實用新型一個具體實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)本實用新型一個具體實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)本實用新型一個實施例的氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實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。下面通過參 考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型 的限制。
[0026] 下面參考附圖1-圖5描述本實用新型實施例的一維聚焦光學(xué)系統(tǒng)和氣體中懸浮 顆粒物的檢測裝置。
[0027] 圖1是根據(jù)本實用新型一個實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] 在本實用新型的一個實施例中，凸非球面柱面L12的母線與激光束的楠圓光斑的 長軸平行。
[0030] 在本實用新型的一個實施例中，光學(xué)透鏡200采用光學(xué)塑料材料。
[0031] 在本實用新型的一個具體實施例中，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對激光束進行準(zhǔn)直，凸非球面柱面L12則對激光楠圓光斑長 軸方向進行會聚，從而實現(xiàn)激光束的一維聚焦。其中，如圖3所示，凸非球面柱面L12對半 導(dǎo)體激光源100發(fā)出的楠圓光束的長軸方向進行聚焦，如圖4所示，凸非球面L11對半導(dǎo)體 激光源100發(fā)出的楠圓光束的短軸方向進行準(zhǔn)直。
[0033] 進一步地，由于被測塵埃顆粒的采樣氣道具有一定的口徑，因此，該里對激光束的 整形需要使得光敏區(qū)的光強分布趨于均勻。半導(dǎo)體激光源100發(fā)出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直面 后，被柱面一維聚焦于光敏區(qū)。依被測塵埃顆粒的量程，對光敏區(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，f為光學(xué)透鏡的后焦距，dl為激光束的直徑（由激光束 截面中強度下降到軸上點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為被測塵埃顆?？諝鈩恿W(xué)直徑。
[0036] 根據(jù)公式（1)，假設(shè)已知被測塵埃顆?？諝鈩恿W(xué)直徑t激光波長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)確測定小于或等于空氣動力學(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，雖然對透鏡后焦距f無上限要求，但考慮元件尺寸的限制，W及器件最小 化的要求，我們會取一個滿足條件的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-個具體的例子來說明dl和f的計算過程。表1所示為本實用新型的一 個實施例的參數(shù)。
[0044] 表 1
[0045]

【權(quán)利要求】
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 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為被測塵埃顆?？諝鈩恿W(xué)直徑，dl為所述激光 束的直徑，A為所述激光束的波長。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 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?. -種氣體中懸浮顆粒物的檢測裝置，其特征在于，包括； 如權(quán)利要求1-6任一項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。
【文檔編號】G02B19-00GK204287526SQ201420719292
【發(fā)明者】邱欣周, 劉國寧, 郝鵬飛, 張瓊晉 [申請人]比亞迪股份有限公司