专利名称：尘埃粒子计数器的光学传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型是洁净环境洁净度的检测仪器——尘埃粒子计数器的一种光学传感器。
在先技术中，中国科学院上海光学精密机械研究所提供的专利号为ZL99225686.0的“白光尘埃粒子计数器的高效光学探头”，如图1所示。该光学探头(也称为光学传感器)主要由相互垂直的照明光路和散射光收集光路组成。其中的照明光路由光源1、照明透镜组2、光敏感区3、第一球面反射镜4和光陷阱5组成，光源1是白炽灯泡，第一球面反射镜4的球心与光敏感区3的中心点O重合；散射光收集光路由第二球面反射镜6、聚焦镜7、视场光阑8和光电探测器9组成，第二球面反射镜6的球心与光敏感区3的中心点O重合，光电探测器9是光电倍增管；光敏感区3的中心点O是照明光路光轴O1O1和散射光收集光路光轴O2O2的交点。
该光学探头存在以下缺点1.光能利用率较低，光敏感区照度也较低。该光学探头照明光路上的光源1发出的全部能量中，只有很小一部分光能量能进入照明透镜组2照亮光敏感区3。其照明透镜组2的孔径半角仅为20°，对光源1所张的立体角公为0.121π球面度。这影响了该光学探头的灵敏度，其最小探测粒径通常是0.30μm。
2.散射光收集光路的集光效率较低。该光学探头只能在垂直于照明光路光轴的一个方向上由第二球面反射镜6收集尘埃粒子的散射光，其接收孔径半角只有38.7°，对光敏感区3所张的立体角为0.439π球面度。因而信号较弱，信噪比低，该光学探头对于0.30μm粒子的信噪比通常低于3∶1。
第一、第二球面反射镜4和6的使用，尚未使该光学探头获得足够好的性能。
3.粒径探测范围较小，只有1∶33。由于该光学探头的照明光路的数值孔径小，且散射光收集光路对光敏感区3所张的立体角小，使得散射光强度相对于尘埃粒子直径的响应特性曲线的单调性差，特别是在大粒径区域存在多值性，这就限制了其粒径探测范围。
4.为了保证该光学探头具有一定的性能，必须采用大功率的光源灯泡(其功率通常为20W)及高灵敏度的光电倍增管。从而导致该光学探头发热严重，需要降温，体积大，严重的发热还影响了该光学探头的检测稳定性。
5.光敏感区3小，导致气流横截面积小，只有φ1.8mm，无法实现大流量测量，其空气采样流量为2.83L/min(分)，所以测量时间长，效率低。该光学探头测量10级洁净室的一个点需要20min，测量1级洁净室的一个点需要200min。
本实用新型的目的是为了克服上述光学探头的不足，为洁净度检测提供一种高效率的尘埃粒子计数器光学传感器。其最小探测粒径要优于0.20μm，计数效率和粒径集中度高于80％；且将具有信噪比较高、灵敏度较高、测量速度快、粒径探测范围大、稳定性好、体积小、发热少的特点。
本实用新型光学传感器的结构中含有两条相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿着光源1发射光束G前进的方向上，依次置有第一齐明透镜10、照明透镜组2、第二齐明透镜8、第一球面反射镜4和光陷阱5，第一球面反射镜4置于光陷阱5内，其球心与光敏感区3的中心点O重合。散射光收集光路的光轴O2O2与照明光路的光轴O1O1在照明光路上照明透镜组2与第一球面反射镜4之间垂直相交的交点O是光敏感区3的中心点O。在散射光收集光路上，在光敏感区3的一侧置有第二球面反射镜6；在光敏感区3与第二球面反射镜6相对的另一侧的散射光收集光路上，从光敏感区3开始依次置有第三齐明透镜12、接收透镜组13、视场光阑8和光电探测器9。也就是说，第三齐明透镜12置于光敏感区3与接收透镜组13之间的散射光收集光路上。第二球面反射镜6的球心与光敏感区3的中心点O重合；视场光阑8位于接收透镜组13与光电探测器9之间，且与光敏感区3的中心点O共轭。如图2所示。
从本实用新型的结构如图2与在先技术的结构如图1比较，本实用新型的特点就是在光源1与照明透镜组2之间的照明光路上置有第一齐明透镜10，在照明透镜组2与光敏感区3之间的照明光路上置有第二齐明透镜11。在光敏感区3与接收透镜组13之间的散射光收集光路上置有第三齐明透镜12。
本实用新型中所说的第一、第二、第三齐明透镜10、11和12是一个单透镜，如图3所示，其一面为凹球面，另一面为凸球面，在其凹球面一侧存在一对共轭点，即第一共轭点A和第二共轭点A′，其中第一共轭点A位于凹球面球心上，第二共轭点A′位于凹球面球心之外。一束从第一共轭点A出发、数值孔径为sinU的发散球面光束，通过第一齐明透镜后，将成为另一束数值孔径sinU′＝(sinU)/n、且以第二共轭点A′为球心的发散光束，n为齐明透镜的折射率。在光束的传输过程中，不引入球差和近轴彗差，但可改变其数值孔径。反之，可把入射到齐明透镜的数值孔径为sinU′的会聚球面光束无像差地变换为另一束数值孔径为sinU＝nsinU′的会聚球面光束；同时像点A向齐明透镜移动，使像距缩短为原来的1/n。利用齐明透镜的这个特性，在不引入像差的情况下，可以把光学系统的数值孔径提高到原来的n倍，从而大大提高光学系统对光能的利用率。使用三个齐明透镜10、11、12后，可使本实用新型的光学传感器的性能得到显著提高。
本实用新型中的光源1可以是白炽灯，也可以是低功耗的半导体激光器。
本实用新型中的第一齐明透镜10可以增大照明光路的数值孔径，使从光源1发出的进入照明透镜组2的光能大幅度增加，即提高了光源1的光能利用率。如果第一齐明透镜10的折射率为n，照明透镜组2的数值孔径为sinU′，则采用齐明透镜10以后照明光路的数值孔径提高到n sinU′，而光能利用率提高到原来的sin2{[sin-1(n sinU′)]/2}/sin2(U′/2)倍。第一齐明透镜10与第二齐明透镜11相对于照明透镜组2对称放在两端，第一、第二齐明透镜10与11一起使用，可使照明光路放大倍率与只使用照明透镜组2时保持一致。使用两个齐明透镜10与11以后，还使照明光路的物距和像距缩短至原来的1/n，因而照明光路总长度缩短。可以看出，三个齐明透镜10、11、12的折射率n越大，越有利于光学传感器性能的提高。
本实用新型中的第一球面反射镜4的反射面镀有高反射率介质光学薄膜，或者是增强型铝全反射膜，其反射率大于96％。其作用是把进入光陷阱5的照明光束反射回光敏感区3，使被测尘埃粒子受到两个方向的光能的照射，照明光强提高一倍；同时，可以使光敏感区3处的光源1灯丝像经第一球面反射镜4反射后再成像于光敏感区3，调整第一球面反射镜4可使两个灯丝像适当错开，从而克服了单一方向照明时光敏感区3的照明光强不均匀性。
本实用新型中的第二球面反射镜6的反射面镀有高反射率介质光学薄膜，或者是增强型铝全反射膜，其反射率大于96％。其作用是把通过光敏感区3的被测尘埃粒子发出的与第三齐明透镜12相对的一侧的散射光会聚到光敏感区3，进而进入接收透镜组13，从而使散射光信号强度增大一倍。
本实用新型中置于光敏感区3与接收透镜组13之间的散射光收集光路上的第三齐明透镜12的作用是增大散射光收集光路的数值孔径，进而提高散射光信号的强度。它对散射光信号的提高幅度与照明光路中的第一齐明透镜10相同。
本实用新型中的视场光阑8的通光口径为长方形，其作用有两个一是阻止粒子散射光以外的杂光进入光电探测器9；二是使光电探测器9输出的所有脉冲信号具有相同的宽度，保证脉冲信号在被后继电路处理时得到相同的放大倍率，这样可提高检测结果的准确度。
本实用新型中的光电探测器9不仅可以采用端窗式的光电倍增管，或者采用侧窗式的光电倍增管，或者采用光电二极管，或者采用光电池。
本实用新型的工作过程是光源1发出的光能量通过第一齐明透镜10、照明透镜组2和第二齐明透镜11照亮光敏感区3后，进入光陷阱5，又被其中的第一球面反射镜4反射回到光敏感区3；待测尘埃粒子以一定速度且垂直于两光轴O1O1和光轴O2O2流过光敏感区3时产生与其直径成比例的散射光，在与照明光路光轴O1O1垂直的两个方向上在一定立体角范围内的散射光被第二球面反射镜6、第三齐明透镜12和接收透镜组13收集并会聚，通过视场光阑8投射到光电探测器9上，光电探测器9输出一个与尘埃粒子大小成一定比例的电信号，该电信号被后继电路处理后得到相应的粒子直径值。
本实用新型的优点，与在先技术相比1.光能利用率较高，光敏感区3照度较高。因为第一齐明透镜10使照明光路的数值孔径提高到n sinU′，从而使进入光敏感区3的光能量提高到原来的sin2{]sin-1(n sinU′)]/2)/sin2(U′/2)倍。因此，本实用新型光学传感器的灵敏度、计数效率和粒径集中度都大为提高；2.散射光收集光路的集光效率较高。因为第二球面反射镜6、第三齐明透镜12和接收透镜组13双向、大角度接收散射光。第二球面反射镜6把流过光敏感区3的尘埃粒子发出的另一个方向上的散射光反射到第三齐明透镜12，进入接收透镜组13，其对尘埃粒子的散射光集光效率可提高2sin2{[sin-1(n sinU′)]/2}/sin2(U′/2)倍，这使本实用新型光学传感器的信号强度和信噪比都得到提高，从而提高了光学传感器的灵敏度；3.本实用新型的散射光强度相对于尘埃粒子直径的响应特性曲线的单调性好。因为第二球面反射镜6和第三齐明透镜12扩大了散射收集光路对尘埃粒子散射光的接收范围，从而使光散射响应特性曲线平滑、起伏小、粒径探测范围大；4.由于本实用新型的光学传感器的光能利用率高，所以可以采用小功率的白炽灯泡或者是半导体激光器作为光源1，同时可以采用低增益的侧窗式光电倍增管、或者是光电二极管，或者是光电池作为光电探测器9。从而降低了发热量与电损耗，同时又减小了光学传感器的体积；5.由于在上述光路中置有三个齐明透镜10、11和12，使得本实用新型的光学传感器检测速度比在先技术的检测速度提高10倍以上。
图1是在先技术白光尘埃粒子计数器的高效光学探头的结构示意图。
图2是本实用新型的光学尘埃粒子计数器光学传感器的结构示意图。
图3是本实用新型的光学尘埃粒子计数器光学传感器中齐明透镜的结构示意图。
实施例如图2的结构所示。光源1是特制卤钨灯，功率为10W；第一、第二和第三齐明透镜10、11和12的结构完全相同，其两个表面的曲率半径分别为-16.8mm和-10.188mm，折射率n＝1.806；照明透镜组2由四块焦距均为30mm、结构完全相同的双胶合透镜组成，照明光路的总放大倍率等于1，照明光路的孔径半角U＝42°，其对光源1所张立体角为0.514π球面度，是在先技术光学探头的4.25倍。光源1与第一齐明透镜10对着光源1的表面之间的距离，以及第二齐明透镜11对着光敏感区3表面与光敏感区3的中心点O之间的距离均为10.188mm；光敏感区3的尺寸为2mm×2mm×0.8mm；第一、第二球面反射镜4和6的球面半径为18mm，通光口径为φ26mm，其反射面镀有高反射率的增强型铝膜，其球心与光敏感区3的中心点O重合。第三齐明透镜12与光敏感区中心点O的距离为10.188mm。散射光收集光路对散射光总的有效收集立体角为1.027π球面度，是在先技术光学探头的2.34倍。视场光阑8是通光口径为3mm×1.2mm的长方形，且其长边方向垂直于尘埃粒子通过光敏感区3的轨迹。光电探测器9是光电二极管，位于视场光阑8之后约3mm处。由于使用了三个齐明透镜10、11、12，本实用新型的总信号强度提高到在先技术光学探头的9.945倍实施例的最小探测粒径为0.18μm，可探测粒径范围为0.18～20μm，也就是粒径探测范围为1∶110，最小探测粒径处的信噪比为4.5∶1，计数效率和粒径集中度均可达85％，超过国家计量检定规程JJG547-88的要求；空气采样流量为5.66L/min，符合美国联邦标准209E关于空气采样流量的要求；本实用新型光学传感器的发热量少，检测结果稳定可靠；结构紧凑，外形尺寸为153mm×95mm×70mm，不到在先技术的一半。
当使照明光路的总放大倍率等于n倍时，使光敏感区3的尺寸增大到3.6mm×3.6mm×1.6mm，相应地气流横截面增大到φ3.4mm，从而使本实用新型光学传感器的空气采样流量达到28.3L/min，可实现对洁净环境的快速检测。采用本实用新型光学传感器测量10级洁净室的一个点只需要2min，测量1级洁净室的一个点只需要20min。检测速度均比在先技术提高10倍以上。
权利要求1.一种尘埃粒子计数器的光学传感器，含有两条相互垂直的照明光路和散射光收集光路，在照明光路上，沿着光源(1)发射光束(G)前进的方向上，依次置有照明透镜组(2)和置于光陷阱(5)内的第一球面反射镜(4)，散射光收集光路的光轴(O2O2)与照明光路的光轴(O1O1)在照明光路上照明透镜组(2)与第一球面反射镜(4)之间垂直相交的一点(O)是光敏感区(3)的中心点(O)；在散射光收集光路上，在光敏感区(3)的一侧置有第二球面反射镜(6)，在光敏感区(3)与第二球面反射镜(6)相对的另一侧的散射光收集光路上，从光敏感区(3)开始，依次置有接收透镜组(13)、视场光阑(8)和光电探测器(9)，其特征在于在光源(1)与照明透镜组(2)之间的照明光路上置有第一齐明透镜(10)，在照明透镜组(2)与光敏感区(3)之间的照明光路上置有第二齐明透镜(11)，在光敏感区(3)与接收透镜组(13)之间的散射光收集光路上置有第三齐明透镜(12)。
2.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器的光学传感器，其特征在于所说的第一齐明透镜(10)、第二齐明透镜(11)和第三齐明透镜(12)均是一个一面为凹球面、另一面为凸球面的单透镜，在它的凹球面一侧存在一个位于凹球面球心上的第一共轭点(A)，和位于凹球面球心之外的第二共轭点(A′)。
专利摘要一种尘埃粒子计数器的光学传感器,含有两条相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上,于光源和照明透镜组之间置有第一齐明透镜,于照明透镜组和光敏感区之间置有第二齐明透镜。在散射光收集光路上,于光敏感区和接收透镜组之间置有第三齐明透镜。由于上述光路中置有三个齐明透镜,使得本实用新型具有较高的灵敏度、计数效率、粒径集中度、准确度和信噪比。检测速度比在先技术提高10倍以上。
文档编号G01N15/14GK2480832SQ01245699
公开日2002年3月6日 申请日期2001年6月1日 优先权日2001年6月1日
发明者黄惠杰, 赵永凯, 杜龙龙, 程兆谷, 路敦武 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所