专利名称：光学传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种环境洁净度检测设备的零组件，特别涉及一种用于检测空气尘埃粒子的光学传感器。
背景技术：
在现有技术中，空气尘埃粒子检测设备所采用的光学传感器大多仍是以氦氖激光器作光源，以光电倍增管作光信号接收部。例如，1992年12月30日申请的中国专利第ZL92245806.5号所揭示的“尘埃粒子计数器光学传感器”即是由单模氦氖激光器、具有扩束作用的三棱透镜、光栏、半旋转椭圆集光镜、样气通道、光陷阱、消杂光光栏和光电倍增管等元件组成。其中，氦氖激光器作为光源，用于提供激光束。样气通道与激光束纵向垂直相交区域为光敏感区，含有尘埃颗粒的被测空气从样气通道进入光敏感区。当激光束通过三棱透镜扩束和光栏截取后，由半旋转椭圆集光镜的进光通道进入光敏感区，即穿过被测空气，最后被位于半旋转椭圆集光镜出光通道外的光陷阱吸收。被测空气中的尘埃粒子被激光束照射后产生光散射，一定立体角范围内的粒子散射光信号再由半旋转椭圆集光镜收集反射，穿过消杂光光栏后被光电倍增管吸收。
上述现有光学传感器主要存在以下缺点1.功耗大由于氦氖激光器及光电倍增管均须以高压放电形式驱动，一般氦氖激光器的循环功率可以高达几十甚至于上百瓦，因此电源的功耗大且体积大。
2.易损坏由于氦氖激光器大多采用玻璃毛细管制成，因此在运输过程中极易发生破损。
3.维护困难氦氖激光器光学准直非常敏感，如有一点误差，功率将会急剧下降而极大的影响仪器的准确性和灵敏度。
4.使用寿命短由于氦氖激光器的气体放电管是在高压下工作，带电荷粒子很容易吸附在放电管的布鲁斯特窗的光学表面上，从而使激光器的内腔功率下降，此外放电管的慢漏气也会缩短其工作寿命。
5.成本高由于氦氖激光器和光电倍增管都需用高压电源，使得制造和维护成本均提高了。
6.信噪比低采用的半旋转椭圆集光镜加工要求高，难于获得高的表面光洁度和反射率，因而对散射光的集光效率低，漫反射严重，系统的背影光噪声强，影响信噪比的提高。另外，半旋转椭圆集光镜需要打孔，加工时容易炸裂，因而加工困难，而且成品率低。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述传统光学传感器的不足，为洁净度检测提供一种采用全半导体器件设计的新型光学传感器，其具有体积小、结构简单紧凑、加工容易、信噪比高、灵敏度高而且功耗低，成本低等特点。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种光学传感器，其包括一用于发射激光束的半导体激光光源，一设于所述半导体激光光源右侧并且用于使激光束变形为薄片状光束的光束整形系统，一位于光束整形系统右侧并由采样气流与激光束垂直相交形成的区域为光敏感区，一设于光敏感区右侧并用于吸收激光束的挡光器，一用于收集光敏感区产生的散射光信号的光信号收集系统，以及一用于接收散射光信号的半导体光电探测器。其中，所述光束整形系统包括沿激光束前进方向依次设置的一用于将激光束准直为平行光束的短焦距准直透镜以及一用于将激光束一维会聚为薄片状光束的柱状透镜。所述光信号收集系统至少包括一凹面反射镜，所述凹面反射镜与半导体光电探测器位于所述光束整形系统与挡光器之间，并分设于所述光敏感区的前后两侧附近。
更具体地，所述凹面反射镜为一椭圆反射镜。
更具体地，所述凹面反射镜为一球面反射镜，所述光信号收集系统还包括一聚光透镜，所述聚光透镜位于所述光敏感区与半导体光电探测器之间，并与所述球面反射镜分设于光敏感区的前后两侧。
更具体地，所述半导体激光光源为半导体二极管激光器。
更具体地，所述半导体光电探测器为半导体二极管探测器。
更具体地，所述半导体光电探测器为雪崩二极管探测器。
与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果1.由于本实用新型采用低功率的半导体激光光源和半导体光电探测器设计，因而不再需要高压供电，大大降低了电功损耗，发热量也大为降低，同时光学传感器的体积和重量亦大幅度减小，因此使用本实用新型制成的产品具有小巧便携的特点。
2.由于本实用新型所采用的半导体激光光源发出的光束方向性好，因此可确保发出的几乎所有光能量都能被准直透镜准直；而且柱状透镜又把准直后的激光束一维会聚成横截面积很小的薄片状光束后再射向光敏感区，因而光敏感区的照明光强度高，本实用新型光学传感器的信号强度，灵敏度也都比现有技术大为提高。
3.由于本实用新型采用易于精密批量光学加工的凹面反射镜来收集散射光信号，因此可以获得比现有技术中所采用的半旋转椭圆集光镜更高的表面光洁度和反射率以及较小的象差，从而使系统的信噪比得以大幅度提高。
4.由于本实用新型采用凹面反射镜与半导体光电探测器共同双向、大角度收集散射光信号，使散射光信号收集效率大幅度提高，尤其是采用最易于加工的球面反射镜与聚光镜配合使用，使散射光信号的有效收集立体角范围增大，这使光学传感器的信号强度和信噪比都提高了，传感器的灵敏度也同时提高了。
本实用新型光学传感器的具体结构将由以下附图和实施例详细给出。
图1是本实用新型光学传感器第一实施例的光路结构简化示意图。
图2是本实用新型光学传感器第一实施例所采用的光束整形系统的光路结构示意图。
图3是本实用新型光学传感器第一实施例所采用的光信号收集系统的光路结构示意图。
图4是本实用新型光学传感器第二实施例所采用的光信号收集系统的光路结构示意图。
具体实施方式请参阅图1，本实用新型光学传感器第一实施例包括一用于发射激光束的半导体激光光源1。为便于说明，本文将半导体激光光源1射出的激光束前进方向定义为右侧，对应的垂直图面的方向为前后方。所述半导体激光光源1右侧设有一光束整形系统2，激光束穿过光束整形系统2后与含有尘埃粒子的采样气流5垂直相交，二者垂直相交形成的区域则被定义为光敏感区4。光敏感区4右侧设有一用于吸收激光束的挡光器7。另外，在光束整形系统2与挡光器7之间还设有一用于收集光敏感区4产生的散射光信号的光信号收集系统3和一用于接收散射光信号的半导体光电探测器6，所述光信号收集系统3至少包括一凹面反射镜，所述凹面反射镜与半导体光电探测器6分设于光敏感区4的前后两侧附近。在本实施例中，半导体激光光源1为一半导体二极管激光器。
另请同时参阅图2，所述光束整形系统2的作用是将半导体激光光源1发射的激光束折射变形成一薄片状光束射出。如图2所示，所述光束整形系统2包括沿激光束前进方向依次设置的一用于将激光束准直为平行光束的短焦距准直透镜21以及一用于将激光束一维会聚为薄片状光束的柱状透镜22。
再请同时参阅图3，本实施例中所采用的光信号收集系统3包括一球面反射镜31及一聚光透镜32，所述聚光透镜32位于光敏感区4与半导体光电探测器6之间，并与球面反射镜31分设于光敏感区4的前后两侧。所述球面反射镜31的焦点与光敏感区4的中心点重合。当激光束穿过光束整形系统2变为薄片状光束射入光敏感区4时，激光束射在采样气流5中的尘埃粒子上便形成散射光。此时，射向半导体光电探测器6的部份散射光信号将直接经聚光透镜32会聚后被探测器6接收，另一方向的大部份散射光则将被球面反射镜31反射后，再经聚光透镜32折射至半导体光电探测器6吸收。本实用新型光学感测器中的半导体光电探测器6既可选用半导体二极管探测器，亦可选用雪崩二极管探测器。
此外，再请参阅图4所示，在本实用新型光学感测器的第二实施例中，所述光信号收集系统3亦可仅采用单一椭圆反射镜33来实现散射光信号的收集。所述椭圆反射镜33的焦点与光敏感区4的中心重合。
由上述实施例可知，本实用新型主要是采用了低功率的半导体激光光源以及灵敏度偏低的半导体光电探测器设计，同时整合简单有效的光束整形系统及光信号收集系统以实现高灵敏度及信噪比的光学传感器设计。此外，本实用新型的光学传感器结构小巧简单，可用于各类手持式、便携式空气粒子计数器或超净车间多点采样网络系统。由此光学传感器而形成的产品可广泛应用在微电子、半导体工业、精密机械生产加工、生物、医药卫生、食品饮料加工航空航天、国防和科研、大气监测、室内外空气质量检测分析等行业，为各省市药检所、血液中心、防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构、超大规模集成电路超净车间(室)，各类电子行业、制药车间、半导体、光学或精密机械加工、塑胶、喷漆、医院、环保、检验所，食品加工等生产企业和科研部门所使用，是用户检测净化环境的必备工具。以超大规模集成电路生产制造环境为例，本实用新型的光学传感器可应用于实时在线检测生产环境中的空气净化级别，确定污染源，提高产品合格率，从而增加生产效率。
权利要求1.一种光学传感器，包括一用于发射激光束的激光光源，以及一用于吸收激光束的挡光器，其特征在于所述激光光源为半导体激光光源；所述光学传感器还包括一设于所述半导体激光光源右侧并且用于使激光束变形为薄片状光束的光束整形系统，一位于光束整形系统右侧并由采样气流与激光束垂直相交形成的区域为光敏感区，一用于收集光敏感区产生的散射光信号的光信号收集系统，以及一用于接收散射光信号的半导体光电探测器；所述挡光器设于所述光敏感区右侧；所述光束整形系统包括沿激光束前进方向依次设置的一用于将激光束准直为平行光束的短焦距准直透镜以及一用于将激光束一维会聚为薄片状光束的柱状透镜；所述光信号收集系统至少包括一凹面反射镜，所述凹面反射镜与半导体光电探测器位于所述光束整形系统与挡光器之间，并分设于所述光敏感区的前后两侧附近。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于所述凹面反射镜为一椭圆反射镜。
3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于所述凹面反射镜为一球面反射镜，所述光信号收集系统还包括一聚光透镜，所述聚光透镜位于所述光敏感区与半导体光电探测器之间，并与所述球面反射镜分设于光敏感区的前后两侧。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于所述半导体激光光源为半导体二极管激光器。
5.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于所述半导体光电探测器为半导体二极管探测器。
6.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于所述半导体光电探测器为雪崩二极管探测器。
专利摘要本实用新型公开了一种光学传感器，其包括一半导体激光光源，一设于半导体激光光源右侧的光束整形系统，一位于光束整形系统右侧并由采样气流与激光束垂直相交形成的区域为光敏感区，一设于光敏感区右侧的挡光器，一用于收集光敏感区产生的散射光信号的光信号收集系统，以及一用于接收散射光信号的半导体光电探测器。其中，光束整形系统包括沿激光束前进方向依次设置的一准直透镜以及一柱状透镜。所述光信号收集系统至少包括一凹面反射镜，凹面反射镜与半导体光电探测器位于所述光束整形系统与挡光器之间，并分设于光敏感区的前后两侧附近。本实用新型光学传感器具有体积小、结构简单紧凑、加工容易、信噪比高、灵敏度高、功耗低、成本低等特点。
文档编号G01N15/00GK2935133SQ20062001421
公开日2007年8月15日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者林海, 雍华蓉 申请人:深圳市赛纳威环境仪器有限公司