一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔。

背景技术：

为精确探测诸如乙醛、硫化氢、二氧化碳等气体在特定空间内的浓度，非色散红外气体探测器被广泛应用于工业与农业等领域。对于由两个或两个以上的原子构成的极性气体分子，由于存在转动和振动跃迁对红外辐射的吸收，红外气体探测器可以通过测量特定吸收波长的光强变化量，从而推算出相应气体的浓度。为了使探测结果准确可靠，红外光线在充满气体的光学腔中需要被多次反射以增大吸收光程，从而使红外光线被气体分子充分吸收。因此，长的吸收光程易于达到高的探测精度，如亚ppm或ppb级的精度。

现有的长光程光学腔主要有反射式的赫里奥特腔和怀特腔。这两种光学腔均可以获得几米至几十米以上的光程，但是它们适合用于低发散角的激光光源。另外，这种长光程的光学腔面型加工精度要求高，成本昂贵。对于低成本的气体浓度探测应用，采用价格低廉的热光源而不是昂贵的激光器源更为合适。由于热光源的非相干特性，其发射角较大，为了实现长光程，需要在光学腔中加入准直光学元件约束光束发散角。如果采用折射透镜准直，会引入较大的损耗，且准直效果有限。中国专利cn109406404a公开了一种利用角锥棱镜阵列错位排列增加光程的方案，但是角锥棱镜阵列的加工比较复杂。中国专利cn108169170a则公开了一种利用两块平面反射镜多次反射光线的方案，以期达到在有限体积内尽量提高光程的目的，但这种光路设计使光学腔的体积仅仅被利用了一次，光学效率不高，且体积大。

技术实现要素：

本发明实施例中提供一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，该对称式结构的长光程红外气体检测光学腔是一种体积小、光程长且可重复使用的光学腔，可以提高气体的探测精度。

本发明提供一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，包括：

第一反光面、第二反光面、红外光源、红外探测器以及顶部平面镜，所述第一反光面与所述第二反光面基于光学腔对称轴对称，其中：

所述第一反光面包括第一抛物面反射镜、第一转角平面镜及第一光路延长平面镜，所述红外光源的等效点源置于所述第一抛物面反射镜的焦点处，所述第一抛物面反射镜用于准直所述红外光源发出的扩散红外光束，并将准直后的红外光束反射至所述第一转角平面镜，所述第一转角平面镜与所述第一光路延长平面镜连接，且所述第一转角平面镜与所述光学腔对称轴的夹角为锐角，所述第一光路延长平面镜与所述光学腔对称轴平行；

所述第二反光面包括第二抛物面反射镜、第二转角平面镜及第二光路延长平面镜，所述顶部平面镜与所述光学腔对称轴垂直，所述顶部平面镜的一端与所述第一光路延长平面镜连接，所述顶部平面镜的另一端与所述第二光路延长平面镜连接；

所述第二抛物面反射镜、所述第二转角平面镜及所述第二光路延长平面镜分别与所述第一抛物面反射镜、所述第一转角平面镜及所述第一光路延长平面镜基于所述光学腔对称轴对称，所述红外探测器的中心置于所述第二抛物面反射镜的焦点处。

在一些实施例中，所述红外光源的光束发散全角小于或等于30度。

在一些实施例中，所述第一抛物面反射镜及所述第二抛物面反射镜的焦距均为1.4cm。

在一些实施例中，所述第一抛物面反射镜及所述第二抛物面反射镜的曲率半径均为2.8cm。

在一些实施例中，所述第一抛物面反射镜与所述光学腔对称轴的夹角为60度，所述第二抛物面反射镜与所述光学腔对称轴的夹角为负60度。

在一些实施例中，所述第一转角平面镜与所述光学腔对称轴的夹角为25度，所述第二转角平面镜与所述光学腔对称轴的夹角为负25度。

在一些实施例中，所述对称式结构的长光程红外气体检测光学腔还包括腔室保护盖，所述腔室保护盖设置在所述对称式结构的长光程红外气体检测光学腔外部。

在一些实施例中，所述腔室保护盖为滑盖。

在一些实施例中，所述腔室保护盖上设置有通孔。

在一些实施例中，所述第一抛物面反射镜、所述第一转角平面镜、所述第一光路延长平面镜、所述第二抛物面反射镜、所述第二转角平面镜及所述第二光路延长平面镜均使用金属镀膜。

本发明实施例提供了一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，包括：第一反光面、第二反光面、红外光源、红外探测器以及顶部平面镜，所述第一反光面与所述第二反光面基于光学腔对称轴对称，其中：所述第一反光面包括第一抛物面反射镜、第一转角平面镜及第一光路延长平面镜，所述红外光源的等效点源置于所述第一抛物面反射镜的焦点处，所述第一抛物面反射镜用于准直所述红外光源发出的扩散红外光束，并将准直后的红外光束反射至所述第一转角平面镜，所述第一转角平面镜与所述第一光路延长平面镜连接，且所述第一转角平面镜与所述光学腔对称轴的夹角为锐角，所述第一光路延长平面镜与所述光学腔对称轴平行；所述第二反光面包括第二抛物面反射镜、第二转角平面镜及第二光路延长平面镜，所述顶部平面镜与所述光学腔对称轴垂直，所述顶部平面镜的一端与所述第一光路延长平面镜连接，所述顶部平面镜的另一端与所述第二光路延长平面镜连接；所述第二抛物面反射镜、所述第二转角平面镜及所述第二光路延长平面镜分别与所述第一抛物面反射镜、所述第一转角平面镜及所述第一光路延长平面镜基于所述光学腔对称轴对称，所述红外探测器的中心置于所述第二抛物面反射镜的焦点处。该对称式结构的长光程红外气体检测光学腔是一种体积小、光程长且可拓展光程的光学腔，可以提高气体的探测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔一个实施例结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的腔室保护盖的一个俯视图；

图2b是本发明实施例提供的腔室保护盖的一个立体图；

图3a是本发明实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一正视图；

图3b是本发明实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一左视图；

图3c是本发明实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一右视图；

图4a是本发明实施例提供的一能量分布图；

图4b是本发明实施例提供的另一能量分布图；

图4c是本发明实施例提供的另一能量分布图；

图4d是本发明实施例提供的另一能量分布图；

图5是本发明实施例提供的的一仿真建模图；

图6是本发明实施例提供的一个应用场景示意图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔一个实施例结构示意图。

本发明实施例提供一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，对称式结构的长光程红外气体检测光学腔包括第一反光面、第二反光面、红外光源30、红外探测器40以及顶部平面镜50，其中，第一反光面与第二反光面基于光学腔对称轴对称。以下分别进行详细说明。

第一反光面包括第一抛物面反射镜11、第一转角平面镜12及第一光路延长平面镜13，红外光源30的等效点源置于第一抛物面反射镜11的焦点处，第一抛物面反射镜11用于准直红外光源30发出的扩散红外光束，并将准直后的红外光束反射至第一转角平面镜12，第一转角平面镜12与第一光路延长平面镜13连接，且第一转角平面镜12与光学腔对称轴的夹角为锐角，第一光路延长平面镜13与光学腔对称轴平行；

第二反光面包括第二抛物面反射镜21、第二转角平面镜22及第二光路延长平面镜23，顶部平面镜50与光学腔对称轴垂直，顶部平面镜50的一端与第一光路延长平面镜13连接，顶部平面镜50的另一端与第二光路延长平面镜23连接；

第二抛物面反射镜21、第二转角平面镜22及第二光路延长平面镜23分别与第一抛物面反射镜11、第一转角平面镜12及第一光路延长平面镜13基于光学腔对称轴对称，红外探测器40的中心置于第二抛物面反射镜21的焦点处。

在一些实施例中，本实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔为一个半封闭腔体。

在一些实施例中，红外光源30的光束发散全角小于或等于30度。

在一些实施例中，第一抛物面反射镜11及第二抛物面反射镜21的焦距均为1.4cm。

在一些实施例中，第一抛物面反射镜11及第二抛物面反射镜21的曲率半径均为2.8cm。

在一些实施例中，第一抛物面反射镜11与光学腔对称轴的夹角为60度(光学腔对称轴的顺时针方向60度)，第二抛物面反射镜21与光学腔对称轴的夹角为负60度(光学腔对称轴的逆时针方向60度)。

在一些实施例中，第一转角平面镜12与光学腔对称轴的夹角为25度(光学腔对称轴的顺时针方向25度)，第二转角平面镜22与光学腔对称轴的夹角为负25度(光学腔对称轴的逆时针方向25度)。

在一些实施例中，对称式结构的长光程红外气体检测光学腔还包括腔室保护盖60，腔室保护盖60设置在对称式结构的长光程红外气体检测光学腔外部。其中，图2a为本实施例中腔室保护盖60的一个俯视图，包括凸体61、凸体62以及通孔63，图2b为本实施例中腔室保护盖60的一个立体图。腔室保护盖60安装在光学腔两侧。

如图3a、图3b以及图3c所示，图3a为本实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一正视图、图3b为本实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一左视图、图3c为本实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一右视图，

在实际的光学腔模型设计中，为符合实际生产与应用的要求，对本实施例中的光学腔的镜面进行整体加厚，并将各部分连接成如图3(a)中所示的半封闭结构。

在实际应用中，为防止空气中的杂质颗粒进入腔室影响镜面的反射效果，设计了一种腔室保护盖60，该腔室保护盖60包括凸体61、凸体62以及通孔63，在实际应用中，在腔室保护盖60的上部粘贴一张可滤除空气杂质颗粒的滤纸，腔室保护盖60按照凹槽14与凸体61，凹槽15与凸体62对应的规则与半封闭腔体进行连接，气体从通孔63进入腔室。

在实际应用中，为将光学腔固定在配合使用的pcb电路板上，设计四个固定通孔，分别为图3a中的通孔71、通孔72、通孔73以及通孔74。

在一些实施例中，腔室保护盖60为滑盖。

在一些实施例中，第一抛物面反射镜11、第一转角平面镜12、第一光路延长平面镜13、第二抛物面反射镜21、第二转角平面镜22及第二光路延长平面镜23均使用金属镀膜。

为了进一步理解本发明实施例中提到的一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，下面进一步描述该光学腔的光路走向，如下：

红外光源30发出红外光束，该光束照射第一抛物面反射镜11，第一抛物面反射镜11准直红外光束并将该红外光束反射到第一转角平面镜12，第一转角平面镜12转折平行红外光束，减小平行红外光束与水平方向的夹角并将该红外光束反射到第二光路延长平面镜23，红外光束在平行放置的第一光路延长平面镜13和第二光路延长平面镜23之间往复反射，反射多次(例如5次)之后，红外光束反射到顶部平面镜50，经顶部平面镜50反射到第一光路延长平面镜13后，红外光束继续在第一光路延长平面镜13和第二光路延长平面镜23之间往复反射，传播路径与之前路径沿光学腔对称轴对称，反射多次(例如5次)之后，红外光束反射到第二转角平面镜22，增大平行红外光束与水平方向的夹角并将该红外光束反射到第二抛物面反射镜21，第二抛物面反射镜21对红外光束进行聚焦，焦点在矩形红外探测器40上。下面使用zemax软件设计上述光路的具体参数。

设计红外光源的发散半角为15°，模型中光源输出功率为1w。设计第一抛物面反射镜11焦距为14.14mm，且焦点置于红外光源30的点源处，第一抛物面反射镜11曲率半径为28.28mm。按照图1中的结构顺序依次设计第一转角平面镜12、第一光路延长平面镜13、第二抛物面反射镜21、第二转角平面镜22、第二光路延长平面镜23、顶部平面镜50、和红外探测器40，红外探测器40的中心置于第二抛物面反射镜21的焦点处。zemax软件中该光路的具体结构如图1所示，其中，图1中d是光线在第一光路延长平面镜13或第二光路延长平面镜23上相邻两次反射点的距离。在红外光源30右侧5mm处、第一转角平面镜12、第二转角平面镜22和红外探测器40位置处的能量分别如图4a、图4b、图4c以及图4d所示。

根据仿真输出的能量分布图4a可知，距红外光源30右侧5mm处输出半径为1mm的圆形光斑，能量均匀分布在圆上，光能总功率为1w。经抛物面反射镜1准直之后，得到图4b中半径为5mm的圆形光斑，能量均匀分布在圆上，光能总功率为1w。光束经多次反射，在第二转角平面镜22处得到图4c所示的近圆形光斑，能量均匀分布，光能总功率为0.99w。最终，光束经第二抛物面反射镜21聚焦在红外探测器40，形成一个极小的光斑，并如图4d所示。光斑的光能总功率0.99w。仿真表明该光路的能量传输效率达到99％。

请参阅图5，图5是将zemax仿真光路进行实体建模，且再次导入zemax进行光路仿真结果。该模型的体积参数为95mm×92mm×30mm，光路光程为870mm，光能传输效率达到99％。

本实施例中，若按照d的整数倍同时增加第一光路延长平面镜13和第二光路延长平面镜23的长度，则光程还可以继续增加至米级。

请参阅图6，图6为本实施例提供的对称式结构的长光程红外气体检测光学腔的一个应用场景示意图。气体吸收红外光源中特定波长的光，通过红外探测器40所接收到的光能可以测得气体的浓度。

综上所述，本发明实施例提供了一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔，包括：第一反光面、第二反光面、红外光源、红外探测器以及顶部平面镜，所述第一反光面与所述第二反光面基于光学腔对称轴对称，其中：所述第一反光面包括第一抛物面反射镜、第一转角平面镜及第一光路延长平面镜，所述红外光源的等效点源置于所述第一抛物面反射镜的焦点处，所述第一抛物面反射镜用于准直所述红外光源发出的扩散红外光束，并将准直后的红外光束反射至所述第一转角平面镜，所述第一转角平面镜与所述第一光路延长平面镜连接，且所述第一转角平面镜与所述光学腔对称轴的夹角为锐角，所述第一光路延长平面镜与所述光学腔对称轴平行；所述第二反光面包括第二抛物面反射镜、第二转角平面镜及第二光路延长平面镜，所述顶部平面镜与所述光学腔对称轴垂直，所述顶部平面镜的一端与所述第一光路延长平面镜连接，所述顶部平面镜的另一端与所述第二光路延长平面镜连接；所述第二抛物面反射镜、所述第二转角平面镜及所述第二光路延长平面镜分别与所述第一抛物面反射镜、所述第一转角平面镜及所述第一光路延长平面镜基于所述光学腔对称轴对称，所述红外探测器的中心置于所述第二抛物面反射镜的焦点处。该对称式结构的长光程红外气体检测光学腔是一种体积小、光程长且可拓展光程的光学腔，可以提高气体的探测精度。

在实际应用中，红外光束在整个光路中经过第一反光面和第二反光面多次反射，最终聚焦到红外探测器，第一抛物面反射镜的准直有效防止了光束的扩散，第二抛物面反射镜使平行的光线聚焦于焦点处，平面镜(第一转角平面镜、第一光路延长平面镜、第二转角平面镜以及第二光路延长平面镜)多次反射使光束在有限的空间中传播光程大幅提升。另外，通过增加第一光路延长平面镜和第二光路延长平面镜的长度，可以继续增加光程，故本发明具有拓展光程的能力。由于该光学腔的对称式结构特点，光束在同样的传播空间中实现了光程的翻倍，同时这种对称式结构的制造难度较小。

以上对本发明实施例所提供的一种对称式结构的长光程红外气体检测光学腔进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。