用于热电堆探测器的共光路发射接收装置的制作方法

本发明涉及光学设计及红外检测领域，具体的是一种用于热电堆探测器的共光路发射接收装置。

背景技术：

随着管道输送行业快速发展，长线输气管道的安全性的越来越受到重视，管道泄漏检测技术是管道安全稳定运行的重要保证。基于近红外半导体吸收光谱技术的激光检测方法与传统检测方法相比较具有灵敏度高、响应时间快、选择性强等优势，并且可以结合车载或机载，被越来越多地应用于长线输气管道泄漏的遥感探测。

现在大部分地激光探测器的光学接收系统将来自远处反射靶的回波看作是与聚光透镜光轴平行的光线，当回波垂直入射到透镜时，只需将探测器的光感面面布置在聚光透镜的焦平面。然而在实际检测过程中，由于地物或管道的表面反射情形复杂以及激光回波会受到大气湍流的影响，反射过来的光线必然会与透镜光轴存在一定夹角。若单独使用折射式聚焦透镜作为聚光接收装置，由于入射光线偏角的存在造成焦点偏移，影响探测器光敏面接收效率，导致系统的探测灵敏度下降。

热电堆红外探测器是激光检测系统常用的一种激光探测装置，其对回波的响应只与所接收的激光功率有关，与被测波长无关，因此具有响应波段宽的优势，通过安装不同的滤光片即可实现对不同波长的激光探测，同时，可以在室温下工作，无需制冷。然而普通的热电堆红外探测器光敏面直径通常只有10mm，并且缺少相应的光学接收系统，将热电堆红外探测器用于红外检测系统中回波接受效率极低，在痕量气体检测过程中无法正常运行。

技术实现要素：

为了实现激光发射与接收的一体化，本发明提供了一种用于热电堆探测器的共光路发射接收装置，该用于热电堆探测器的共光路发射接收装置采用菲涅尔透镜与多级反射镜组成的折-反二次聚光系统，增大对回波光线的光学接收效率，并采用光束发射接收一体化的共光路结构形式，大大地降低了系统复杂性，使结构简单紧凑，制造成本低廉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于热电堆探测器的共光路发射接收装置，包括聚光接收单元和激光发射单元；该聚光接收单元含有沿主光轴的正方向依次排列的菲涅尔透镜、多级反射器、匀光棒和热电堆探测器，多级反射器和匀光棒均为两端开放的筒状结构，多级反射器的内表面和匀光棒的内表面均为反射面，菲涅尔透镜的光轴、多级反射器的轴线和匀光棒的轴线均与该主光轴重合；该激光发射单元能够发射出与主光轴重合的激光束，该激光束的发射方向为主光轴的负方向。

菲涅尔透镜位于多级反射器的入口端内，菲涅尔透镜的焦点位于多级反射器的出口端，匀光棒的入口端与多级反射器的出口端对应连接。

多级反射器的入口端的内径大于多级反射器的出口端的内径，沿主光轴的正方向，多级反射器含有依次连接的第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段、第七段、第八段和第九段。

第一段的内表面呈圆柱形结构，第二段、第三段、第四段、第五段、第六段、第七段和第八段的内表面呈圆柱台形结构，第二段、第三段、第四段、第五段、第六段、第七段和第八段的出口端的内径依次减小。

第九段为抛物线以主光轴为轴旋转形成的回转面；该抛物线所对应的方程为：f(x)＝-0.009496x²-0.0331x+11.41；在该方程中，x∈[0，24]。

匀光棒的内表面为正六棱柱形，该正六棱柱形的轴线与主光轴重合，匀光棒的出口端与热电堆探测器的光感面连接，匀光棒的出口端内设有接收室隔板。

该激光发射单元含有依次设置的激光发射器、第一转角器、限束光阑和第二转角器，第二转角器位于菲涅尔透镜的中心，第一转角器和第二转角器能够将激光发射器发射出的激光束转变为与主光轴重合的所述激光束。

激光发射器和第一转角器位于多级反射器外，第二转角器位于多级反射器内，限束光阑位于多级反射器的侧壁，第一转角器的入口端朝向激光发射器，第一转角器的出口端朝向第二转角器的入口端，第二转角器的出口端朝向主光轴的负方向，菲涅尔透镜的中心设有中心孔，第二转角器的出口端位于该中心孔内，限束光阑位于第一转角器的出口端和第二转角器的入口端之间。

所述用于热电堆探测器的共光路发射接收装置还包括发射室和接收室，接收室为至少一端开放的筒状结构，该聚光接收单元设置于接收室内，菲涅尔透镜与接收室的开放端相对应，主光轴呈水平状态，发射室固定于接收室的上部外，激光发射器和第一转角器位于发射室内。

所述用于热电堆探测器的共光路发射接收装置还包括旋转底座和支撑双臂，接收室位于旋转底座的上方，接收室与旋转底座之间通过支撑双臂连接，支撑双臂与接收室通过阻尼旋钮连接，接收室能够在水平和竖直方向转动，发射室内分为前后两部分，该前后两部分之间设有挡板，第一转角器位于发射室的前部分，激光发射器位于发射室的后部分。

本发明的有益效果是：

1、第一转角器与第二转角器的平面反射镜上下共面布置，与光轴均呈45°角，激光经过二次反射与接收装置光轴重合后发射，实现了发射与接收的共光路设计，提高探测精度，使结构紧凑，体积较小。

2、光学接收采用折-反射二次聚光的菲涅尔透镜和多级反射器的组合形式，有效接收角为5°，光透过率为70％，提高了回波光线的光学接收率，从而增大红外探测系统的灵敏度。

3、接收的光线经过匀光棒的全反射作用，使得探测器光感面的光斑更均匀，有效地削弱光感面的最大辐照强度，减少了对光感面的损耗。

4、激光器和热电堆探测器可进行拆卸，方便日常维护和修理。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述用于热电堆探测器的共光路发射接收装置的结构示意图。

图2是多级反射器的结构示意图。

图3是匀光棒的结构示意图。

图4是热电堆探测器的安装示意图。

图5是激光发射单元的结构示意图。

图6是发射室与接收室的支撑结构示意图。

1、菲涅尔透镜；2、多级反射器；3、匀光棒；4、第一转角器；5、限束光阑；6、第二转角器；7、激光发射器；8、热电堆探测器；9、发射室；10、接收室；11、旋转底座；12、支撑双臂；13、阻尼旋钮；14、主光轴；15、接收室隔板；

21、第一段；22、第二段；23、第三段；24、第四段；25、第五段；26、第六段；27、第七段；28、第八段；29、第九段。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种用于热电堆探测器的共光路发射接收装置，包括聚光接收单元和激光发射单元；该聚光接收单元含有沿主光轴14的正方向依次排列的菲涅尔透镜1、多级反射器2、匀光棒3和热电堆探测器8，多级反射器2和匀光棒3均为两端开放的筒状结构，多级反射器2的内表面和匀光棒3的内表面均为反射面，菲涅尔透镜1的光轴、多级反射器2的轴线和匀光棒3的轴线均与该主光轴14重合；该激光发射单元能够发射出与主光轴14重合的激光束，该激光束的发射方向为主光轴14的负方向，如图1所示。

在本实施例中，菲涅尔透镜1位于多级反射器2的入口端内，菲涅尔透镜1的焦点位于多级反射器2的出口端，匀光棒3的入口端与多级反射器2的出口端对应连接。多级反射器2的入口端和匀光棒3的入口端均位于图1的左侧，多级反射器2的出口端和匀光棒3的出口端均位于图1的右侧，其中菲涅尔透镜1采用ppmm材质，直径为80mm，焦距为150mm，菲涅尔透镜1嵌在多级反射器2的入射口端。菲涅尔透镜1的中心打孔，用于镶嵌第二转角器6。

在本实施例中，多级反射器2的入口端的内径大于多级反射器2的出口端的内径，沿主光轴14的正方向，多级反射器2含有依次连接的九段，该九段分别为第一段21、第二段22、第三段23、第四段24、第五段25、第六段26、第七段27、第八段28和第九段29。第一段21的内表面呈圆柱形结构，第二段22、第三段23、第四段24、第五段25、第六段26、第七段27和第八段28的内表面呈圆柱台形结构，第二段22、第三段23、第四段24、第五段25、第六段26、第七段27和第八段28的出口端的内径依次减小，多级反射器2的内表面的具体参数如表1所示。

表1

第九段29为抛物线以主光轴14为轴旋转形成的回转面；该抛物线所对应的方程为：f(x)＝-0.009496x²-0.0331x+11.41；在该方程中，x∈[0，24]，单位为mm。多级反射器2的结构如图2所示。

在本实施例中，匀光棒3的内表面为正六棱柱形，该正六棱柱形的轴线与主光轴14重合，匀光棒3的出口端与热电堆探测器8的光感面连接，匀光棒3的出口端内设有接收室隔板15。匀光棒3的外表面为圆柱形，所述正六棱柱形与该圆柱形为内接关系，如图3所示，即匀光棒3为内接正六边形空心筒状结构，多级反射器2和匀光棒3的内表面均为反射镜面，该反射镜面镀高反射膜，匀光棒3的入口端与多级反射器2的出口端胶合对接，匀光棒3的入口端的外径与多级反射器2的出口端的外径相同，接收室隔板15与匀光棒3的出口端相匹配，通过接收室隔板15的作用使得热电堆探测器8的光感面无法与匀光棒3的出射端口直接接触，其后端只能位于热电堆探测器8光感面的前侧，避免对光感面造成磨损，如图4所示。

在本实施例中，该激光发射单元含有依次设置的激光发射器7、第一转角器4、限束光阑5和第二转角器6，第二转角器6位于菲涅尔透镜1的中心，第一转角器4和第二转角器6能够将激光发射器7发射出的激光束转变为与主光轴14重合的所述激光束。激光发射器7用于发射激光束，第一转角器4和第二转角器6用于改变激光发射器7发射的激光束的角度。

在本实施例中，激光发射器7和第一转角器4均位于多级反射器2外，第二转角器6位于多级反射器2内，限束光阑5位于多级反射器2的侧壁，第一转角器4的入口端朝向激光发射器7的发射口，第一转角器4的出口端朝向第二转角器6的入口端，第二转角器6的出口端朝向主光轴14的负方向，菲涅尔透镜1的中心设有中心孔，第二转角器6的出口端位于该中心孔内，限束光阑5位于第一转角器4的出口端和第二转角器6的入口端之间，第二转角器6位于第一转角器4的正下方。

其中第一转角器4与第二转角器5均为圆筒结构，直径为6mm～7mm，长度为10mm，内部安装平凸透镜和高反射镜，如图5所示。第一转角器4安装在发射室9内部，第二转角器6镶嵌在菲涅尔透镜1中心。第一转角器4的平凸透镜位于靠近激光发射器7一侧，其主光轴与发射激光束中心重合，高反射镜与平凸透镜主光轴呈45°角，第一转角器4的反射镜垂直下方开设通光孔，口径5mm。第二转角器6的平凸透镜位于靠近菲涅尔透镜1一侧，其主光轴与菲涅尔透镜主光轴重合，高反射镜与平凸透镜主光轴呈45°角，第二转角器6的反射镜垂直上方开设通光孔，口径5mm。限束光阑5口径5mm，安装在第一转角器4通光孔正下方的接收室10和多级反射器2的开孔处。

激光发射器7发射的水平方向激光束通过第一转角器4的90°反射，光路改变为垂直向下，经过限束光阑5，再次通过第二转角器6的90°反射，光路再次变为水平出射的光线。当出射激光遇到待测物体被漫反射过来，通过菲涅尔透镜1和多级反射器2的折-反二次聚光后，再经过匀光器3的全反射作用，最终在热电堆探测器8的光感面上形成均匀光斑。

在本实施例中，所述用于热电堆探测器的共光路发射接收装置还包括发射室9和接收室10，接收室10为至少一端开放的筒状结构，该聚光接收单元设置于接收室10内，菲涅尔透镜1与接收室10的开放端相对应，即该聚光接收单元的菲涅尔透镜1位于图6中接收室10的左端内，该聚光接收单元的热电堆探测器8位于图6中接收室10的右端内。主光轴14呈水平状态，发射室9固定于接收室10的上部外，激光发射器7和第一转角器4位于发射室9内。

发射室9内分为前后两部分，该前后两部分之间设有挡板，第一转角器4位于发射室9的前部分内，激光发射器7位于发射室9的后部分内。该挡板在激光发射器7与第一转角器4的光轴上开设通光孔。发射室9的后部分的上表面可以进行开启或关闭，以便于安装激光发射器7。接收室10后端可以进行开启或关闭，用于安装热电堆探测器8。

在本实施例中，所述用于热电堆探测器的共光路发射接收装置还包括旋转底座11和支撑双臂12，接收室10位于旋转底座11的上方，接收室10与旋转底座11之间通过支撑双臂12连接，支撑双臂12与接收室10通过阻尼旋钮13连接，接收室10能够在水平和竖直方向转动，接收室10能够以水平方向的直线和竖直方向的直线为轴转动。

具体的，旋转底座11含有内圆板和外方板，支撑双臂12的下端与该内圆板连接固定，接收室10能够以该内圆板的轴线为轴转动，接收室10还能够以阻尼旋钮13的轴线为轴转动。这样通过调节阻尼旋钮13实现对发射接收装置的上下转动，同时支撑双臂12固定在转盘底座11，亦可进行平面360°调节。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。