一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法与流程

本发明涉及室内环境监测技术领域，特别涉及一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法。

背景技术：

随着人们生活水平的日益提高，人们对室内环境的要求也越来越高，这其中一个重要的指标就是公共室内空间的二氧化碳含量。室内二氧化碳超标是超过了甲醛和pm2.5的最重要污染因素，这在公共办公空间内尤为明显。当二氧化碳含量超标时将会引起血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，甚至引起酸中毒。

良好的室内空间要求二氧化碳的含量在400ppm到800ppm之间；当二氧化碳含量超过800ppm后就会引起人们感到疲劳，效率降低；当二氧化碳含量超过1200ppm之后人们会感到气喘，头痛；当二氧化碳含量超过2000ppm后人们的思考能力会明显下降，空气属于严重污染范围；在极端环境中如果二氧化碳含量超过5000ppm，则会出现知觉丧失的严重情况。

当前国内外市场的二氧化碳的监测仪主要使用的技术是非分散红外方法，通过测量红外光（通常波长为4.2微米）在二氧化碳中的吸收而推算二氧化碳的含量。为了确保红外光与二氧化碳气体的充分作用仪器需要特别设计的弯曲波导以使红外光在波导中多次反射后准确到达探测器。这对光学器件的设计和材料的选择提出了很高的要求，使得二氧化碳监测仪的价格一直处于较高水平，无法在市场得到有效推广。

技术实现要素：

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统，包括：

一特定波长的激光源，所述特定波长的激光源发射出的光线频段为室内空气中目标成分所能吸收的频段；

光面积倍增器，所述光面积倍增器包括折射率选定的主体光学玻璃，主体光学玻璃的光束入射面设置可使光束发生偏折的入射光栅，光线出射面设置有使得光束部分可以从光线出射面出射、光束的另一部分反射回光面积倍增器内的微光学薄膜，所述光面积倍增器的光束入射面内侧面为全反射面，所述光束入射面上的入射光栅上下两侧分别设有出射孔；

一气体检测室，所述气体检测室包括入射窗口与出射窗口；

一汇聚透镜，所述汇聚透镜与出射窗口对应设置，所述汇聚透镜用于将通过气体检测室后出射的光束汇聚成一束光；

一后端探测器，汇聚后的光线进入后端探测器进行光电转换；

前端探测器，所述前端探测器与任一出射孔对应设置，用于探测从光束入射面射出的剩余光束。

优选地，所述气体检测室为开放式，所述气体检测室外设有促进空气流动的机械设备或热对流设备。

优选地，所述光面积倍增器采用光场重构器件，所述光场重构器件通过lsi工艺制作。

优选地，所述特定波长的激光源发出的光束波长为4200纳米

本发明提供的一种基于光场重构器件的室内空气质量监测方法，包括以下步骤；

s1、特定波长的激光源发出设定波长的光束；

s2、从激光源发出的入射光经光面积倍增器后由一束转化为多束平行光，形成平行光阵列，实现截面积倍增，倍增后剩余的光线经出射光栅射出；

s3、面积倍增后的光束经入射窗口进入气体检测室，平行光阵列被室内的待测气体吸收而光强降低；

s4、经过室内后的光线经过出射窗口射出，经汇聚透镜后汇聚；

s5、汇聚后的光束进入后端探测器进行光电转换，两前端探测器对从两出射光栅射出的剩余光束进行探测并光电转换，根据入射光强和探测光强的差计算出光线被二氧化碳吸收的部分；

s6、转化完成的电信号被输出到外部的信号处理系统进行分析而得出空气中二氧化碳的含量。

优选地，所述步骤s2中入射光截面积倍增过程为：

a、选定出所需折射率的光学玻璃为光面积倍增器主体；

b、在光线入射处制作入射光栅，通过入射光栅后光束发生偏折；

c、在光线出射面制作微光学结构，使得光线部分出射，同时另一部分反射回光电倍增器中；反射回的光线在光面积倍增器的另一面发生全反射；

d、全反射的光线依次重复步骤c出射、反射，实现多光束在光线出射面出射，光束面积实现倍增；

e、最后剩余光线经出射光栅射出。

优选地，所述步骤d中，实现5束至50束光线出射。

优选地，所述特定波长的激光源发出的光束波长为4200纳米。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法，利用微光学器件构成的光面积倍增器将红外光的截面积大幅扩大，充分与二氧化碳气体作用后再聚集到探测器端，通过增加红外光与气体的作用的截面积减小红外光与气体的作用长度，以此来减小气体检测室的设计长度，使产品外部尺寸减小。整个系统无需昂贵的波导器件，而微光学器件可以通过lsi工艺制作，可以将系统的价格大幅降低。同时本发明中用于样品采集的空气室中的光路非常简单，与传统空气质量监测系统相比，空气室的开放性可大幅提高。同时也可通过热对流或机械风扇促进空气的流通，进一步提高样品的准确度。

附图说明

图1为本发明一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统的框架图；

图2为本发明光面积倍增器结构原理图。

图中：特定波长的激光源100，光面积倍增器200，光束入射面210，入射光栅220，光线出射面230，微光学薄膜240，出射孔250，气体检测室300，入射窗口310，出射窗口320，汇聚透镜400，后端探测器500，前端探测器600。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统，包括：

一特定波长的激光源100，所述特定波长的激光源100发射出的光线频段为室内空气中目标成分所能吸收的频段，所述特定波长的激光源100为针对二氧化碳的激光源，通常波长在4200纳米；

如图2所示，光面积倍增器200，所述光面积倍增器200包括折射率选定的主体光学玻璃，主体光学玻璃的光束入射面210设置可使光束发生偏折的入射光栅220，光线出射面230设置有使得光束的一部分可以从光线出射面230出射、光束的另一部分反射回光面积倍增器200内的微光学薄膜240，出射与反射的光束比例可根据需要选择，所述光面积倍增器200的光束入射面210内侧面为全反射面，所述光束入射面210上的入射光栅220上下两侧分别设有出射孔250，出射孔250的上下具体位置可根据光束需要倍增的面积或束数来设定，所述光面积倍增器200为基于微光学器件的光场重构组件，所述光场重构器件通过lsi工艺制作；

一气体检测室300，所述气体检测室300包括入射窗口310与出射窗口320，气体检测室300为开放式设计，室内空气在室内充分流通，可以通过热对流或机械风扇方式促进空气的流通，平行光阵列被室内的二氧化碳气体吸收而光强降低，根据lamber-beer定律光强的降低与腔体中二氧化碳的浓度成正比；

一汇聚透镜400，所述汇聚透镜400与出射窗口320对应设置，所述汇聚透镜400用于将通过气体检测室300后出射的光束汇聚成一束光，汇聚透镜400也可以由光纤组代替，功能同样是汇聚平行光束；

一后端探测器500，汇聚后的光线进入后端探测器500进行光电转换,根据入射光强和探测光强的差计算出光线被二氧化碳吸收的部分。依前面所述，被吸收光强与室内的二氧化碳浓度成正比；同时被吸收光强也与平行光阵列的总截面积成正比；

前端探测器600，所述前端探测器600分别与任一出射孔250对应设置，用于探测从光束入射面210射出的剩余光束。

所述特定波长的激光源发出的光束波长为4200纳米，二氧化碳对该波长的光束吸收最强。

本发明提供的一种基于光场重构器件的室内空气质量监测方法，包括以下步骤；

s1、特定波长的激光源发出设定后光线频段的光束，设定的光线频段的光束为波长4200纳米的红外光；

s2、从激光源发出的入射光经光面积倍增器后由一束转化为多束平行光，形成平行光阵列，实现截面积倍增，倍增后剩余的光线经出射光栅射出；

s3、面积倍增后的光束经入射窗口进入气体检测室，平行光阵列被室内的待测气体吸收而光强降低；

s4、经过室内后的光线经过出射窗口射出，经汇聚透镜后汇聚；

s5、汇聚后的光束进入后端探测器进行光电转换，前端探测器对从任一出射窗口射出的剩余光束进行探测并光电转换，根据入射光强和探测光强的差计算出光线被二氧化碳吸收的部分；

s6、转化完成的电信号被输出到外部的信号处理系统进行分析而得出空气中二氧化碳的含量。

在步骤s2中入射光截面积倍增过程为：

a、选定出所需折射率的光学玻璃为光面积倍增器主体；

b、在光线入射处制作入射光栅，通过入射光栅后光束发生偏折；

c、在光线出射面制作微光学结构，使得光线一部分出射，同时另一部分反射回面积倍增器中；反射回的光线在光面积倍增器的另一面发生全反射；

d、全反射的光线依次重复步骤c出射、反射，实现多光束在光线出射面出射，光束面积实现倍增；

e、最后剩余光线经出射光栅射出。

如图1、图2所示，出射光线2由前端探测器测量—作为入射光强的参考。一共有两支出射光线2，可选择利用其中的一支。

工作中所使用的计算公式如下：

i.出射光线1光强：

……[公式1]

ii.出射光线2光强：

……[公式2]

iii.公式中：

1.p0：入射光强

2.kt0：入射光栅效率（只采用+/-1级次），由光栅结构决定

3.kt1：出射面每一次光线的透射系数，由微光学结构决定

4.kt2：出射光线2在透射窗口处的透射效率

5.n：每一支光线在光面积倍增器中的反射次数（图2例中n=3）

步骤s3中，根据lamber-beer定律光强的降低与室中二氧化碳的浓度成正比:

1、入射到气体监测室的光强p1可由p2与公式1，公式2推导出，p2由前端探测器测得；

2、从气体监测室出射的光强p3由后端探测器测得；

3、p3与p1之比由下面公式计算

4、公式中：

iv.s：经光面积倍增器后的单支气体截面积；

v.n：经光面积倍增器后的气体支数；

vi.l：气体室长度；

vii.d：空气中二氧化碳的浓度

所述步骤d中，实现5束至50束光线出射。

所述特定波长的激光源发出的光束波长为4200纳米。

本发明具有以下有益效果：

本发明利用光场重构器件（微光学器件）将入射光束的截面积倍增而与被探测的气体充分接触。截面积的增加可达10倍以上，大于传统二氧化碳探测仪的效率；

光面积倍增的同时自动生成剩余出射光线（出射光线2），可用于准确计算入射光光强；

光面积倍增器可以根据需要进行设计，与其它类型的倍增器相比体积更小，制作成本更低；

光场重构器件可通过lsi工艺制作，在减小体积的同时避免了传统二氧化碳探测仪中昂贵的光反射腔（波导）；

光面积倍增器可以与入射窗口集成制作，进一步减小体积；

汇聚透镜与后端探测器可通过晶圆级光学系统高度集成，也可以通过模组工艺将二者直接封装集成，这可以大幅提高成品率并降低组装过程中的人工费用；

汇聚透镜，后端探测器与出射窗口可集成制作，进一步减小体积。

整个系统（光源，窗口，光场整形芯片和探测器）可进一步集成而实现全固化，以进一步降低人工组装的成本并减小器件体积。

综合发明的结构与工艺流程可知，本发明的一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法，利用微光学器件构成的光面积倍增器将红外光的截面积大幅扩大，充分与二氧化碳气体作用后再聚集到探测器端，通过增加红外光与气体的作用的截面积减小红外光与气体的作用长度，以此来减小气体检测室的设计长度，使产品外部尺寸减小。整个系统无需昂贵的波导器件，而微光学器件可以通过lsi工艺制作，可以将系统的价格大幅降低。同时本发明中用于样品采集的空气室中的光路非常简单，与传统空气质量监测系统相比，空气室的开放性可大幅提高。同时也可通过热对流或机械风扇促进空气的流通，进一步提高样品的准确度。