专利名称：白光尘埃粒子计数器的高效光学探头的制作方法
技术领域：
本实用新型是洁净环境洁净度的检测仪器——一种白光尘埃粒子计数器的高效光学探头。
已有技术是国产Y09-4型白光尘埃粒子计数器的光学探头，如图1所示。该光学探头主要由照明光路和散射光收集光路相互垂直构成。其中的照明光路上有光源1和照明透镜组2。光源1是白炽灯。散射光收集光路上有接收透镜组5和以端窗式光电倍增管作为光电探测元件6；光敏感区3的中心是光源1和照明透镜组2的光轴和散射光收集光路的光轴的交点；另外，该光学探头中还有消除照明光能的光陷阱4。
该光学探头存在以下缺点1.光敏感区3照度较低，光能利用率低。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和光敏感区3。其照明透镜组2的孔径半角为16°，对光源1所张的立体角为0.077π球面度(Srad)。这影响了该光学探头的灵敏度，其最小探测粒径是0.30μm。
2.光敏感区3照明均匀性差。该光学探头的光源1经照明透镜组2直接成像于光敏感区3，光敏感区3的光强分布与光源1灯丝的周期性螺旋结构一致，因此照明均匀性差。这影响了该光学探头的计数效率和粒径集中度。该光学探头的计数效率和粒径集中度小于70％。另外，由于这个缺点，在探测小于0.30μm的粒子时更为突出，所以，这也限制了该光学探头的灵敏度。
3.散射光收集光路上的集光效率低。该光学探头只能在垂直于照明光路的光轴的一个方向上收集尘埃粒子的散射光，其接收透镜组的孔径半角为16°，对光敏感区3所张的立体角为0.077π球面度(Srad)。因而信号弱，信噪比低，该光学探头对于0.30μm粒子的信噪比低于3∶1。
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1灯泡(其功率为20W)及高增益的端窗式光电倍增管作为光电探测元件。从而导致该光学探头发热严重、需要散热结构，则导致体积大，严重的发热还影响了该光学探头的检测稳定性。
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的白光尘埃粒子计数器光学探头。将是一种最小探测粒径小于0.30μm，计数效率和粒径集中度高于70％；且具有信噪比高，灵敏度高，稳定性好，体积小，发热少等特点的光学探头。
本实用新型的结构中含有二条相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿着白炽灯的光源1发射光束G前进的方向上，依次置有照明透镜组2、光敏感区3和光陷阱4。在光陷阱4内，置有球面反射镜8。球面反射镜8的球心与光敏感区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相互垂直的交点是光敏感区3的中心点O。在散射光收集光路上，置有光电探测元件6，在光电探测元件6与光敏感区3之间有聚光镜9，在聚光镜9与光电探测元件6之间、置于聚光镜9的焦面上有视场光阑10。在散射光收集光路上，隔着光敏感区3与聚光镜9相对的一侧有凹面反射镜7。凹面反射镜7的焦点与光敏感区3的中心点O重合。如图2所示。
本实用新型中的球面反射镜8的反射面镀有反射率大于90％的光学薄膜，它有两个作用一是把进入光陷阱4的照明光能反射回到光敏感区3，使被测尘埃粒子受到两个方向的光能的照射，且照明光强提高一倍；二是可以使光敏感区3处的光源1灯丝像经球面反射镜8反射后再成像于光敏感区3，且灯丝适当错开，克服了单一方向照明时光敏感区3的照明光强不均匀性。
本实用新型中的凹面反射镜7可以是球面的凹面反射镜，或者是旋转抛物面的凹面反射镜，其反射面镀有反射率大于90％的光学薄膜。
本实用新型中的聚光镜9是一个双胶合单组透镜，或者是一片单透镜。它既可把由凹面反射镜7反射来的尘埃粒子散射光会聚到光电探测元件6上，还可把尘埃粒子直接发出的另一个方向的散射光会聚到光电探测元件6上。
本实用新型中的视场光阑10的通光口径为长方形或方形，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元件6；二是使光电探测元件6输出的脉冲信号规整，保证脉冲信号在被光电探测元件6的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可靠性。
本实用新型中的光电探测元件6不仅可以采用端窗式的光电倍增管，也可以采用侧窗式的光电倍增管，或者是光电池，或者是光电二极管。
本实用新型的工作过程是光源1发出的光束G通过照明透镜组2照明光敏感区3后，进入光陷阱4，又被其中的球面反射镜8反射回到光敏感区3；待测尘埃粒子以一定速度垂直于光轴O1O1和光轴O2O2流过光敏感区3时产生散射光，在与照明光路的光轴O1O1垂直的两个方向上的一定立体角范围内的散射光被凹面反射镜7和聚光镜9收集并会聚，通过视场光阑10投射到光电探测元件6上，光电探测元件6输出一个与尘埃粒子大小成一定比例的电信号，该电信号被光电探测元件6的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，与已有技术相比1.光敏感区3照度高，照明均匀性好。因为球面反射镜8一方面使光敏感区3的照明光强提高一倍，另一方面克服了单一方向照明时光敏感区3照明均匀性差的缺点。因此，本光学探头的灵敏度、计数效率和粒径集中度都比已有技术大为提高；2.散射光收集光路的集光效率高。因为有凹面反射镜7和聚光镜9双向、大角度接收散射光。凹面反射镜7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又反射到聚光镜9，而且由于凹面反射镜7的焦点与光敏感区3的中心点O重合，对尘埃粒子的散射光集光效率可提高近4倍，这使本光学探头的信号强度和信噪比都比已有技术得到提高，从而提高了光学探头的灵敏度；3.在聚光镜9的焦面上设置了一个与尘埃粒子通过光敏感区3的轨迹相适应的长方形或方形视场光阑10，降低了系统的背景噪声，使系统在最小探测粒径处的信噪比可高于4∶1，同时又使散射光信号整齐，因而检测结果的可靠性得到提高；4.由于本光学探头的光能利用率高，所以可以采用小功率的光源1灯泡和低增益的侧窗式光电倍增管或者是光电管、或者是光电二极管作为光电探测元件，从而降低了发热量与电功损耗，又减小了光学探头的体积。
图1是已有技术国产Y09-4型白光尘埃粒子计数器高效光学探头的结构示意图。
图2是本实用新型的白光尘埃粒子计数器光学探头的结构示意图。
实施例如图2的结构所示。图中光源1是特制卤钨灯，功率为10W；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，这四块双胶合透镜分成相同的两个成像系统，它们的放大倍率均等于1；球面反射镜8的球面半径为25mm；照明透镜组2的孔径半角为20°，其对光源1灯泡所张立体角为0.121π球面度。由于球面反射镜8的作用，照明光路对光源1灯泡所张的总有效立体角为0.242π球面度。光敏感区3的尺寸为2mm×2mm×0.8mm；凹面反射镜7是一个球面的凹面反射镜，其球面半径为20mm，通光口径为φ14mm，其顶点与光敏感区3中心点O的距离为10mm；聚光镜9为一个双胶合单组透镜，其结构形式与照明透镜组中的双胶合透镜相同，其第一面与光敏感区3中心点O的距离为15mm。散射光收集光路对散射光总的有效收集立体角为0.627π球面度。视场光阑10是通光口径为6mm×2.4mm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。光电探测元件6是侧窗式的光电倍增管，位于视场光阑10之后约3mm处。球面反射镜7和8的反射面均镀有反射率大于90％的铝膜。
实施例的最小探测粒径为0.22μm，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2.83L/min，符合美国联邦标准209E关于采样流量的要求；本光学探头的发热量少，检测结果稳定可靠；结构紧凑，外形尺寸为170mm×137mm×90mm，小于已有技术体积的一半。
权利要求1.一种白光尘埃粒子计数器的高效光学探头，含有<1>二条相互垂直的照明光路和散射光收集光路，其中在照明光路上，沿着以白炽灯作光源(1)发射光束G前进的方向上，依次有照明透镜组(2)、光敏感区(3)和光陷阱(4)，在散射光收集光路上置有光电探测元件(6)；<2>照明光路的光轴O1O1与散射光收集光路的光轴O2O2相互垂直的交点是光敏感区(3)的中心点O；其特征在于<3>置于光陷阱(4)内，有球心与光敏感区(3)中心点O重合的球面反射镜(8)；<4>在散射光收集光路上，在光敏感区(3)与光电探测元件(6)之间有聚光镜(9)，在光电探测元件(6)与聚光镜(9)之间、置于聚光镜(9)的焦面上有视场光阑(10)；<5>在散射光收集光路上，隔着光敏感区(3)与聚光镜(9)相对的一侧有焦点与光敏感区(3)中心点O重合的凹面反射镜(7)。
2.根据权利要求1的白光尘埃粒子计数器的高效光学探头，其特征在于球面反射镜(8)的反射面镀有反射率大于90％的光学薄膜。
3.根据权利要求1的白光尘埃粒子计数器的高效光学探头，其特征在于视场光阑(10)的通光口径是长方形，或者是方形。
4.根据权利要求1的白光尘埃粒子计数器的高效光学探头，其特征在于凹面反射镜(7)是球面的凹面反射镜，或者是旋转抛物面的凹面反射镜，反射面镀有反射率大于90％的光学薄膜。
5.根据权利要求1的白光尘埃粒子计数器的高效光学探头，其特征在于聚光镜(9)是一个双胶合单组透镜，或者是一片单透镜。
专利摘要一种白光尘埃粒子计数器的高效光学探头,含有二条相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上,沿着白炽灯的光源发射光束G前进的方向上,依次置有照明透镜组、光敏感区和内含球面反射镜的光陷阱。二条光路的光轴O
文档编号G01N15/00GK2366845SQ9922568
公开日2000年3月1日 申请日期1999年2月8日 优先权日1999年2月8日
发明者黄惠杰, 路敦武, 杜龙龙 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所