專利名稱：使用兩個拋物線凹面鏡的氣室以及使用該氣室制造氣體傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造氣室的方法，所述氣室是使用NDIR(非色散紅外)技術(shù)的氣體密度測量裝置的最重要元件。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有光腔的氣室的制造方法，其中所述氣室適于多種應(yīng)用并具有簡單的幾何結(jié)構(gòu)，便于光路分析；以及一種使用所述氣室制造氣體傳感器的方法。
背景技術(shù)：
隨著大眾對大氣環(huán)境關(guān)注的增加，通過精確地檢測大氣中所含的有毒氣體或者工廠產(chǎn)生的有毒氣體防止意外事故的技術(shù)變得日益重要。在這一領(lǐng)域，需要提供適于狹窄空間的便攜式氣體傳感器或小尺寸氣體傳感器以及大尺寸氣體傳感器。為此已經(jīng)進行了很多努力，以便制造重量輕的小尺寸氣室。即，在設(shè)計氣室時，氣室的小型化和輕量化已經(jīng)成為考慮的主要因素，而氣室是檢測氣體的最重要元件。另外，還需要將有限尺寸的氣室的效率最大化。由于NDIR氣室測量氣體對于穿過氣體的光的光吸收率，因此努力延長光路，并且已經(jīng)得到一些實際結(jié)果。
為了在有限空間內(nèi)得到較長的光路，利用鏡子使光在氣室的光腔內(nèi)反射幾次。為此，提出了具有各種幾何結(jié)構(gòu)的光腔，但延長光路的問題依然存在。導(dǎo)致這些問題的一個因素是光源或光檢測器的尺寸。即，由于光源或光檢測器的尺寸在光腔中不容忽略，因此難以得到小尺寸的實用光腔。為解決上述問題，將鏡子按幾何結(jié)構(gòu)排列在光腔中。但是，在這種情況下，由于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以分析光路。即，由于具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的光腔不容易修改，因此為了修改光強必須基于多個模擬試驗得到最佳光路。另外，如果由于光腔制造工藝過程中出現(xiàn)缺陷而使分析光腔所用的因子出現(xiàn)小的變化，就不可能得到所需的光腔。因此，必須精確地制造光腔?；诖嗽颍荒芑ㄙM高昂的成本和大量的時間來制造光腔。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在考慮上述問題的情況下提出本發(fā)明，本發(fā)明的一個目的是提供一種氣室的制造方法和分析過程，所述氣室與傳統(tǒng)氣室相比具有優(yōu)異的光測量特性，其中所述氣室是氣體傳感器的重要元件，所述氣體傳感器利用氣體的光吸收特性通過NDIR(非散射紅外)技術(shù)測量氣體密度。
最近，使用NDIR技術(shù)測量氣體密度的方法得到重視，因為它在低測量成本下具有較好的精度和準確度。根據(jù)上述方法，基于氣體對具有預(yù)定波長的光的光吸收特性，當(dāng)具有預(yù)定波長的光射入氣體時，測量氣體的光吸收，從而檢測氣體的密度。例如，由于CO2對波長4.3μm的紅外線具有較好的光吸收特性，因此將波長4.3μm的紅外線射入CO2，用以測量CO2的密度。即，通過將CO2密度為“0”時光檢測器檢測的紅外線強度與紅外線被CO2吸收之后殘存的剩余紅外線強度進行對比，從而計算CO2的密度。
在這種情況下，如果光在氣體中的長度(即，氣體中的光路)增大，則光檢測器檢測的光強度下降。結(jié)果，入射光強度與輸出光強度明顯不同，因此可以精確地測量氣體密度?？傊鶕?jù)利用NDIR技術(shù)測量氣體密度的方法，制造能在有限空間區(qū)域內(nèi)延長光路的光腔非常重要。
為此，本發(fā)明提供一種氣室的制造方法和分析過程，所述氣室具有利用兩個拋物線凹面鏡顯著延長光路的光腔，所述兩個凹面鏡具有一個焦點和光軸。即，本發(fā)明提供一種包括光腔的氣室，所述氣室與傳統(tǒng)氣室相比具有優(yōu)良的特性，從而通過使用所述氣室可以制造能精確測量氣體密度的氣體傳感器。
如上所述，為了制造能在有限尺寸內(nèi)延長光路的氣室，必須滿足以下條件。換句話說，本發(fā)明提供一種滿足以下條件的氣室以及一種恰當(dāng)?shù)胤治鏊鰵馐业姆椒ā?br> 1)使用具有所需幾何結(jié)構(gòu)的透鏡或鏡子設(shè)計光腔。此時，透鏡或鏡子必須具有簡單的幾何結(jié)構(gòu)。在這種情況下，可以容易地實現(xiàn)系統(tǒng)分析，并且以低成本在短時間周期內(nèi)制造光腔。
2)光腔的光學(xué)系統(tǒng)必須穩(wěn)定。即，即使由于外部沖擊或者在氣室制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷而使光線略微偏離所需的光路，也必須將光穩(wěn)定地會聚到光檢測器上。為此，即使輸入?yún)?shù)(光源參數(shù))變化，也必須穩(wěn)定地輸出光(光檢測值)。
因此，本發(fā)明提供一種制造滿足上述條件的光腔的方法以及一種使用光路比傳統(tǒng)光腔的光路更長的光腔而制造氣室的方法。
根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，兩個二次拋物線型的凹面鏡彼此相對排列，從而即使它們具有不同焦距，也使它們具有公共的焦點和公共的光軸。另外，光源處于兩個拋物線凹面鏡的交叉點，以使得光源面對焦點，并且光檢測器處于光軸上。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由光源射出的光經(jīng)過焦點并且被凹面鏡反射幾次。然后，光會聚到光軸上，從而可以利用光檢測器檢測光。這樣，即使由于光源在制造過程中出現(xiàn)缺陷從而光源略微偏離了焦點，也能獲得會聚光。因此，本發(fā)明提供一種使用拋物線凹面鏡的系統(tǒng)，它具有簡單的結(jié)構(gòu)并且容易分析。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的光檢測特性。下面將詳細地說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
為了實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，得到具有滿足以下條件的特性的凹面鏡數(shù)學(xué)函數(shù)，并且提供一種利用此凹面鏡的光學(xué)會聚系統(tǒng)。
①經(jīng)過凹面鏡的焦點入射的光必須在其從鏡面反射之后平行于光軸傳播。
②平行光軸入射的光在其從鏡面反射之后經(jīng)過焦點傳播。
如上所述，由于使用二次拋物線型的凹面鏡制造根據(jù)本發(fā)明的氣室的光腔，因此容易制造和分析氣室的光腔。制造根據(jù)本發(fā)明的光腔必須考慮參數(shù)p、p′、L1和L2。本發(fā)明還提供幾個數(shù)學(xué)方程，從而通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)上述參數(shù)來制造和分析光腔。因此，通過恰當(dāng)?shù)匦薷乃鰯?shù)學(xué)方程，可以制造具有所需特性的氣室，并且還可以使用所述氣室制造所需的氣體傳感器。
另外，根據(jù)本發(fā)明的光腔，即使由于外部沖擊或者在氣室制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷使得光略微偏離了所需光路，光也可以穩(wěn)定地會聚到光檢測器。因此，即使輸入?yún)?shù)(光源參數(shù))變化，也可以穩(wěn)定地輸出光(光檢測值)。即，根據(jù)本發(fā)明的氣室的光腔，即使光相對所需的光路略微發(fā)散，也可以使光穩(wěn)定地會聚到光檢測器，從而減少光強度浪費。
此外，根據(jù)本發(fā)明的光腔的光路比傳統(tǒng)光腔的光路更長，因此可以精確地制造氣室。
在大多數(shù)傳統(tǒng)光腔中，通過組合多個凹面鏡和凸面鏡以及透鏡，經(jīng)過執(zhí)行多次模擬試驗得出所需的光路。但是，這種傳統(tǒng)方案不僅需要反復(fù)進行的工藝調(diào)試過程，而且需要大量人力。另外，傳統(tǒng)方案為了制造和測試氣體氣室而造成時間和成本的浪費，從而導(dǎo)致制造氣室的成本增加。
根據(jù)本發(fā)明，由于光腔具有簡單結(jié)構(gòu)并能以簡單方式進行數(shù)學(xué)分析，因此可以在低成本下在短時間周期內(nèi)制造光腔。結(jié)果，本發(fā)明的光腔可以減小制造氣室的成本，并適合消費者的需求。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例，使用兩個二次拋物線型的凹面鏡的光腔；圖2表示用于制造根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光腔的二次拋物線；圖3表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光腔的光路特征；
圖4用于解釋根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光腔中，與光源和光檢測器的尺寸有關(guān)的光路狀況的計算過程；圖5表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例，在包括兩條焦距相同的拋物線的光腔中，當(dāng)光在傳播同時偏離了焦點時的光路分析過程；以及圖6表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例，在包括兩條焦距不同的拋物線的光腔中，當(dāng)光在傳播同時偏離焦點時的光路分析過程。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例，使用兩個二次拋物線型的凹面鏡的光腔。
在拋物線凹面鏡中，朝焦點入射的光在其被鏡面反射后平行光軸傳播，平行光軸入射的光在其被鏡面反射之后經(jīng)過焦點?；趻佄锞€凹面鏡的上述反射特性，如圖1所示，兩個凹面鏡彼此相對排列，使從具有焦距p和p′的兩個二次函數(shù)得到的兩個凹面鏡共焦，由此形成光腔。此時，光源位于位置A0并朝向焦點，光檢測器沿-x方向位于光軸(p，0)處。
從光源向公共焦點射出的光，按照拋物線凹面鏡的特性在拋物線凹面鏡反射幾次，然后會聚到光軸，從而由光檢測器檢測到光。
在這種情況下，光路的長度可以根據(jù)焦距p和p′的條件進行調(diào)節(jié)。例如，如果在焦距p和p′分別為15mm和13.5mm時，光束尺寸和光檢測器的直徑被設(shè)為4mm，則根據(jù)本發(fā)明的分析方案可以得到長度約為1026mm的光路。
1.凹面鏡函數(shù)的介紹為了導(dǎo)出具有上述特性①和②的凹面鏡的函數(shù)，使用一個簡單的微分方程。
圖2表示用于制造根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光腔的二次拋物線，它滿足上述特性①和②。
如果沿平行于-x軸入射到鏡子的光202在鏡子的預(yù)定點A(x，y)203反射后經(jīng)過零點210，其中鏡子對應(yīng)于預(yù)定函數(shù)(y＝f(x))201，由于相對于經(jīng)過點A(x，y)203的法線205而言入射角(α)207與反射角(β)206相等，則法線205經(jīng)過位于x軸的點B208。此時，基于方程(α)207＝(β)206＝(γ)209建立方程OA＝OB。因此，(x，y)滿足方程(1)。
x2+y2=dydxy+x...(1)]]>如果二次極坐標系數(shù)(r，θ)應(yīng)用于方程(1)，則得到方程(2)。
x＝r cosθ，y＝r sinθdydx=rcosθ+drdθsinθ-rsinθ+drdθcosθ]]>r=rcosθ+drdθsinθ-rsinθ+drdθcosθrsinθ+rcosθ...(2)]]>另外，從方程(2)可以得出方程(3)。
drdθ(1-cosθ)=-rsinθ...(3)]]>如果為得到微分方程(3)的解而代入cosθ-1＝z，則得出dz＝-sinθdθ，從而方程(3)可以表示為方程(4)。
rdr＝-zdzr=C0z=-C0cosθ-1...(4)]]>在圖2中，如果在y＝0時x＝-p0(p0＞0)，則r＝p0并且θ＝π。因此，從方程(4)可以得到C0＝-2p0。由此可以從方程(4)得到方程(5)。
r(cosθ-1)＝-2p0x-x2+y2=-2p0...(5)]]>從方程(5)可以得出y的二次拋物線，如方程(6)所示。
y2＝4p0(x+p0)………(6)根據(jù)圖2和方程(1)得到的二次拋物線而制造的凹面鏡具有如下的“反射特性”-平行于光軸(圖2的x軸)入射的光在被拋物線凹面鏡反射時經(jīng)過焦點(圖2的零點210)。
-經(jīng)過焦點入射的光在被拋物線凹面鏡反射時平行于光軸傳播。
2.包括兩個二次拋物線型的凹面鏡的光腔的特性下面參考圖3描述光腔的特性，其中光腔使用彼此相對排列的兩個拋物線凹面鏡，雖然它們具有不同的焦距，但具有相同的焦點和光軸。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光腔中的光路特性，其中光腔是通過組合兩個凹面鏡實現(xiàn)的，兩個凹面鏡分別對應(yīng)二次拋物線y2＝-4p(x-p)(301)和y2＝4p′(x+p′)(302)。這里，二次拋物線的中心點分別為(p，0)305和(-p′，0)306，(0＜p′＜p)。另外，焦點F是零點303，光軸是x軸320，二者被兩條二次拋物線所共用。
如果從光源304射出的光經(jīng)過焦點后被凹面鏡301反射，則光源304可以位于不同位置。為了便于解釋本發(fā)明，假定光源304位于點A0，點A0是兩個凹面鏡301和302的兩個交叉點之一并且位于+y方向。但是，這僅是為了解釋的目的，本發(fā)明并不限制光源304的位置。光源304的坐標為A0=(α0,β0)=(p-p′,2pp′).]]>從光源射出的光在封閉的光腔內(nèi)循環(huán)一次(A0304→B0307→C0308→D0309)并到達點A1。接著，光沿著路徑(A2→A3→A4→...An→...A∞)傳播。如上所述，A∞是點(p，0)，光檢測器位于此處。因此，光在光腔中的傳播特性可以通過獲得An的坐標而進行檢測。為此，按方程(7)所示而定義An、Bn、Cn和Dn。
An＝(αn，βn)Bn＝(αn′，βn′)Cn＝(αn″，βn″) ………(7)Dn＝(αn，βn)這里，為分析光的傳播路徑，通過歸納，A1＝(α1，β1)被表示為α0，β0并且An＝(αn，βn)被表示為α0，β0。為此，分別以α0，β0的形式表示B0、C0和D0。
在圖3中，A0和B0是屬于函數(shù)y2＝-4p(x-p)和y2＝4p′(x+p′)的點，并且位于經(jīng)過零點延伸的直線上。因此，可以得出方程(8)、(9)和(10)。
β02=-4p(α0-p)...(8)]]>β0′2=4p′(α0′+p′)...(9)]]>β0′=β0α0α0′...(10)]]>如果對具有方程(8)、(9)和(10)所示的兩個變量α′0，β′0的聯(lián)立二次方程用α′0調(diào)整，則導(dǎo)出方程(11)。另外，α′0的解表示在方程(12)。
p(α0-p)α0′2+p′α02α0′+p′2α02=0...(11)]]>α0′=-p′pα0]]>或者α0′=α0p′p-α0...(12)]]>這里，α0和α′0是相對零點彼此對稱的點，因此它們具有相互不同的符號。相應(yīng)地，α0′=-p′pα0]]>是方程(12)唯一的有效解。另外，從方程(10)可以導(dǎo)出β′0(見方程13)。
β0′=-p′pβ0]]>B0=(-p′pα0,p′pβ0)...(13)]]>根據(jù)二次拋物線函數(shù)的特性， 是平行于x軸的直線，因此可得到β″0＝β′0。另外，C0是屬于函數(shù)y2＝-4p(x-p)的點，因此C0可以表示為方程(14)。
C0=(α0′′,β0′′)=((-p′p)2(α0-p)+p,-p′pβ0)...(14)]]>這里，如果A0是屬于函數(shù)y2＝-4p(x-p)的點，則路徑A0→C0與路徑C0→A1對稱。即，A1可以表示為C0的坐標，或者以及A0的坐標。因此，A1的坐標可以表示為方程(15)，式中T≡-p′/p(＜0)。
A1＝(α1，β1)＝(T2(α0″-p)+p，Tβ0″)＝(T4(α0-p)+p，T2β0) ………(15)另外，可以從方程(15)得出表示An和An-1的關(guān)系的方程(16)。
An＝(αn，βn)＝(T2(αn-1″-p)+p，Tβn-1″)＝(T4(αn-1-p)+p，T2βn-1)＝(T4n(α0-p)+pT2nβ0) ………(16)按照相同方式，可以根據(jù)方程(13)、(14)和(16)將Bn、Cn和Dn表達為方程(17)。
Bn＝(Tαn-1，Tβn-1)＝(T4n+1(α0-p)+Tp，T2n+1β0)Cn＝(T2(αn-1-p)+p，Tβn-1)＝(T4n+2(α0-p)+p，T2n+1β0)………(17)Dn＝(T3(αn-1-p)+Tp，T2βn-1)＝(T4n+3(α0-p)+Tp，T2(n+1)β0)從方程(16)可以理解，隨“n”增大，(αn，βn)逐漸會聚到(p，0)。即，從光源304射出的光在(p，0)與(-p′，0)之間往復(fù)傳播，然后會聚到作為光軸的x軸320。如果光檢測器321處于x軸320的點(p，0)同時面向零點(焦點)，則從光源304射出并經(jīng)過焦點的光會聚到光檢測器321。
3.光路在光腔中的長度光路在光腔內(nèi)在An-1與An之間的長度假定為循環(huán)長度L(An)。檢測循環(huán)長度L(An)的主要目的是為了得到光在光源與光檢測器之間的總光路。即，只要光已經(jīng)經(jīng)過光腔循環(huán)一次，在反復(fù)檢測光路的長度之后，將這些長度彼此累加，從而得到光的總光路。總光路是對氣體傳感器性能產(chǎn)生較大影響的一個主要因素。因此，如果能分析總光路，就可以有效地根據(jù)其不同應(yīng)用以低成本制造氣體傳感器。
由于總光路表示為An-1An‾=An-1Bn-1‾+Bn-1Cn-1‾+Cn-1Dn-1‾+Dn-1An‾,]]>在得到光的每個循環(huán)長度之后，按照“n”將它們彼此累加。基于方程(16)和(17)可以得到方程(18)。
An-1＝(T4(n-1)(α0-p)+p，T2(n-1)β0)Bn-1＝(T4n-3(α0-p)+Tp，T2n-1β0)Cn-1＝(T4n-2(α0-p)+p，T2n-1β0) ………(18)Dn-1＝(T4n-1(α0-p)+Tp，T2nβ0)An＝(T4n(α0-p)+p，T2nβ0)如果使用在方程(18)中表達的直線長度公式以及方程(8)、(9)、(16)和(17)計算循環(huán)長度L(An)，則可以得到方程(19)。
L(An)＝4(1-T)p-T4n-4(α0-p)(1-T4)根據(jù)方程(19)，如果從位于點(α0，β0)的光源射出的光經(jīng)過光腔循環(huán)n次，則總光路L可以表示為方程(20)。
L=Σn=1NL(An)=Σn=1N(4(1-T)p-T4n-4(α0-p)(1-T4))]]>=4Np(1-T)-(α0-p)(1-T4)Σn=1NT4n-4...(20)]]>=4N(1-T)p-(α0-p)(1-T4N)]]>方程(20)包括兩個T的函數(shù)。如果L＝L(T)＝F1(T)+F2(T)，則F1(T)和F2(T)可以分別表達為方程(21)和(22)。
F1(T)＝4N(1-T)p ………(21)F2(T)＝(p-α0)(1-T4N) ………(22)將總光路L分成兩個函數(shù)的原因是為了計算兩個函數(shù)對總光路L的貢獻。如果N(循環(huán)次數(shù))增加，則F1(T)增大并且F2(T)減小。因此，如果N具有大的數(shù)值，則總光路L主要受F1(T)影響。如方程(23)所示，F(xiàn)1(T)和F2(T)的相對貢獻表達為G(T)。
G(T)≡F2(T)F1(T)=(p-α0)(1-T4N)4Np(1-T)...(23)]]>
這里，α0＝p-p′已經(jīng)參考圖3作了解釋，將其代入方程(23)。從圖3可以看出，如果光源位于光腔的最外部分，則循環(huán)長度增大。因此，雖然將在后面詳加解釋，但點A0是光源的最佳位置。但是，本發(fā)明并不將光源的位置限制在圖3所示的點A0。
如果將α0＝p-p′應(yīng)用于方程(23)，則得出方程(24)。
G(T)=T(1-T4N)4N(1-T)...(24)]]>在方程(24)中，T是負值，N是正值，因此滿足方程(25)。
G(T)=T(1-T4N)4N(1-T)<-T4N(1-T)<18N(T=12)...(25)]]>如果方程(25)表示的循環(huán)次數(shù)N足夠大，則L可大致表示為方程(26)。
L＝4N(1-T)p＝4N(p+p′) ………(26)4.根據(jù)光束尺寸和光檢測器尺寸基于p和p′的條件計算循環(huán)次數(shù)根據(jù)本發(fā)明，在光腔中傳播的光循環(huán)經(jīng)過光腔，并會聚到光軸(參見方程(16))。從方程(16)可以看出，光的會聚速度可以根據(jù)T的條件控制。即，會聚速度隨著T趨向“-1”而減小。如果T達到“-1”，則出現(xiàn)無限循環(huán)。相反，會聚速度隨T趨向“0”而增大。
實際上，由于光檢測器具有預(yù)定尺寸，因此在光經(jīng)過光腔循環(huán)有限次數(shù)之后，利用光檢測器檢測在光腔中傳播的光。因此，可以通過調(diào)節(jié)T值而控制光的循環(huán)次數(shù)N。但是，由于光源也具有預(yù)定尺寸，當(dāng)從光源射出的光在光已經(jīng)經(jīng)過光腔循環(huán)一次后到達點A1時，光可以與光源干涉。因此，必須考慮上述限制計算在光會聚到光檢測器之前光在光腔中傳播的循環(huán)次數(shù)。
圖4表示在考慮光檢測器尺寸時由光源和光檢測條件(參見圓圈402)造成的光干涉(參見圓圈401)。圓圈403是圓圈402的放大圖。由于一束光在光腔中傳播，光具有預(yù)定的光束尺寸。這樣，由于光具有預(yù)定光束尺寸(參見圖4中的L1)，因此從光源射出的光，在其經(jīng)過光腔循環(huán)一次之后到達點A1時，必須不與光源重合。這種重合意味著光損耗，降低氣體傳感器的性能。
從光源射出的光的尺寸(光束尺寸)與光源光出口的尺寸相同，因此假定光源的尺寸等于光束尺寸。
這樣，防止光與在圖4所示的圓圈403中的光源重合的條件可以表示為方程(27)。
β0-β1>L12+L12sinθ...(27)]]>如果光源位于圖3所示的位置，則方程(27)中所示的β0、β1和sinθ可以表示為方程(28)。
β0=2pp′]]>β1=(-p′p)2β0=2pp′(-p′p)2...(28)]]>sinθ=p-p′p+p′]]>如果將方程(28)應(yīng)用于方程(27)，則得出方程(29)。方程(29)表示在光經(jīng)過光腔循環(huán)一次后防止光與光源重合的條件。因此，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明制造光腔時，必須調(diào)節(jié)p和p′的值，使它們滿足方程(29)。
2p-T(1-T2)(1-T)>L1...(29)]]>另外，如作為圓圈402的放大圖的圓圈404所示，如果從光源射出的光在其經(jīng)過光腔循環(huán)N次后會聚到光檢測器，則根據(jù)光檢測器尺寸的光檢測條件必須滿足方程(30)，以便使光的第N次循環(huán)在假定光束尺寸的一半與光檢測器重合時檢測到光的條件下有效。這里，假定如果光束尺寸的一半與光檢測器截面積的一半重合時使用光檢測器檢測到光。
βN>L12+L22...(30)]]>按相同方式，如果圖3的條件應(yīng)用于方程(30)，則得到
βN=(-p′p)2Nβ0=(-p′p)2N2pp′.]]>因此方程(30)可以表示為方程(31)。
(-p′p)2N2pp′>L12+L22...(31)]]>如果通過取自然對數(shù)對方程(29)兩側(cè)重新排列，則得到方程(32)。
N<ln(L1+L24pp′)2ln(p′p)...(32)]]>方程(32)表示由p、p′、L1和L2得到最大光循環(huán)次數(shù)的條件。
這樣，當(dāng)制造根據(jù)本發(fā)明的氣室時，基于方程(29)應(yīng)用條件p和p′并且基于方程(32)計算光的循環(huán)時間。例如，當(dāng)在L1＝4mm、L2＝4mm、p＝10mm和p′＝9mm的條件下制造光腔時，上述條件滿足方程(29)，因此通過方程(32)可以得到光循環(huán)次數(shù)N(N＝7)。如果將上述結(jié)果應(yīng)用于方程(26)，則光腔中的光路總長度為532mm。
5.偏離光路的穩(wěn)定分析當(dāng)為了制造具有優(yōu)異效率的氣室而測量氣體密度時，如果從光源射出的光強度具有較高數(shù)值則其是優(yōu)選的。但是，當(dāng)考慮光源發(fā)光材料的性質(zhì)以及光源的壽命時，難以使用具有期望強度的光?；诖嗽?，為了有效地使用具有有限強度的光，使用凸透鏡或凹透鏡，使從光源沿各向均勻射出的光沿一個方向傳播，從而將光會聚到公共焦點。但是，盡管凸透鏡和凹透鏡理論上可以將光會聚到一個焦點，但實際上將光會聚到一個焦點非常困難。另外，如果在制造氣室的同時考慮凸透鏡或凹透鏡的完美聚焦，則在制造氣室過程中將耗費大量的時間和成本。即使通過各種努力將光會聚到一個焦點，如果氣室中的光學(xué)系統(tǒng)由于外部沖擊或制造工藝過程中出現(xiàn)的氣室缺陷而未對準，則從光源射出的光可能偏離焦點傳播。在這種情況下，會聚到光檢測器的光量將減少，因此氣室的測量效率下降，從而氣室的性能降低。
根據(jù)本發(fā)明的氣室的光腔在上述條件下提供優(yōu)異的穩(wěn)定性。這將在下面參考圖5和6說明。
圖5是表示當(dāng)光偏離包括兩條焦距相同的拋物線的光腔內(nèi)的焦點傳播時，光的光路分析過程。即，圖5用于解釋當(dāng)形成光腔的兩個二次拋物線鏡子501和502具有相同焦距(p＝p′)時的穩(wěn)定性。
需要注意的是，即使兩條拋物線具有不同焦距(在圖6的情況下)，也可以根據(jù)圖5所示的過程分析光的光路。
參看圖5，如果兩條拋物線具有相同焦距，則從光源503射出的光在其越過公共焦點后返回其起始位置。即，從位于點A的光源503射到焦點的光，在經(jīng)過點B、C和D后返回到點A。這從方程(16)可以看出，此時T＝-1。在光源503射出的光略微偏離焦點傳播的條件下，使光可以到達點B′0，而不是點B0，將光在x和y軸方向偏離值分別假設(shè)為ε(0)1和δ(0)1，并且光具有光路A0503→B′0506→C′0508→D′0510→A′1504，則在從光源A0射出的光循環(huán)經(jīng)過光腔之后到達點A′1時，計算點A′1的坐標，然后根據(jù)A0和A′1之間的關(guān)系得到點A′1的坐標，從而計算光的光路。
點A0503、B′0506、C′0508、D′0510、A′1504的坐標由以下的方程(33)給出。這里，假定ε(0)1、ε(0)2、δ(0)1、δ(0)2、μ(0)1、μ(0)2、ν(0)1和ν(0)2的絕對值遠小于p的值，并且其乘積收斂到“0”。
A0＝(α0，β0)B0′＝(α0′，β0′)＝(-α0+ε(0)1，-β0+δ(0)1)C0′＝(α0″，β0″)＝(-α0′+μ(0)1，β0′-ν(0)1)＝(α0-ε(0)1+μ(0)1，-β0+δ(0)1+ν(0)1)D0′＝(α0，β0)＝(-α0″+ε(0)2，-β0″+δ(0)2) ……………………………………(33)A1＝(α1，β1)＝(-α0+μ(0)2，β0+ν(0)2)＝(α0″-ε(0)2+μ(0)2，-β0″+δ(0)2+ν(0)2)首先，為了使用根據(jù)本發(fā)明的光腔的對稱特性，將分析光路A0→B′0→C′0。在這種情況下，C′0關(guān)于ε(0)1和δ(0)1的坐標表示為α0、β0、ε(0)1和δ(0)1。為此，由于光在從B′0反射的同時到達C′0，因此使用光的反射定律。
當(dāng)假定AB′的梯度為tanθAB′并且法線B′的梯度是tanθB′⊥，通過三角函數(shù)的減法公式將tanΔ表達如下tan(θA0B0′-θB0′⊥)=tan(θB0′⊥-Δ)...(34)]]>tanΔ=2tanθB0′⊥-tanθA0B0′(1-tan2θB0′⊥)2tanθA0B0′tanθB0′+(1-tan2θB0′⊥)...(35)]]>從方程(33)得出tanθAB′=β0′-β0α0′-α0=-2β0+δ(0)1-2α0+ϵ(0)1...(36)]]>另外，(α′0，β′0)是屬于函數(shù)y2＝4p(x+p)的點，上述點的法線的梯度(tanθB＇⊥)如方程(37)所示。
tanθB0′⊥=-β0′2p...(37)]]>這樣，如果將方程(36)和(37)應(yīng)用于方程(35)，則tanΔ如方程(38)所示。
tanΔ=pϵ1β0(2p-α0)=-δ12(2p-α0)...(38)]]>由于tanΔ是 的梯度，因此利用方程(33)所示的梯度公式可以得出方程(39)。
tanΔ=pϵ1β0(2p-α0)=-δ12(2p-α0)=β0′′-β0′α0′′-α0′...(39)]]>如果方程(33)應(yīng)用于方程(39)，則可以得出ε(0)1和μ(0)1之間的關(guān)系如方程(40)所示。
μ(0)1=2(p-α0)2p-α0ϵ(0)1...(40)]]>這里，未考慮δ(0)1和ν(0)1之間的關(guān)系。這是因為從二次拋物線方程中可以得出δ(0)1和ε(0)1之間的關(guān)系以及ν(0)1和μ(0)1之間的關(guān)系。
由于根據(jù)本發(fā)明的光腔的對稱特性而到達C′0的光，可以認為是一個新的光源，從而根據(jù)方程(33)和(40)可以得出方程(41)。
μ(0)2=2(p-α0′′)2p-α0′′ϵ(0)2...(41)]]>這樣，可以從ε(0)1和ε(0)2之間的關(guān)系得出點A′1的坐標。另外，如果假定 的梯度為tanθC′0D′0，并且B′0的法線的梯度為tanθB′0⊥，從三角函數(shù)的減法公式導(dǎo)出方程(45)。
tan(θC0′D0′-θB0′⊥)=tan(θB0′⊥-Δ)]]>tanθC0′D0′=2tanθB0′⊥+tanΔ(1-tan2θB0′⊥)2tanθB0′⊥tanΔ+1-tan2θB0′⊥=β0′′′-β0′′α0′′′-α0′′...(45)]]>如果以方程(38)和方程(33)以及從二次拋物線的法線方程導(dǎo)出的tanθB0′⊥=-β0′′2p]]>重寫方程(45)，則可以得出ε(0)1與ε(0)2之間的以下關(guān)系ε(0)1＝-ε(0)2………(46)如果方程(46)應(yīng)用于方程(41)，則可以導(dǎo)出A′1的x坐標如方程(47)所示。
α1′=α0′′-ϵ(0)2+μ(0)2=α0-ϵ(0)1+μ(0)1-ϵ(0)2+μ(0)2]]>=α0+2(p-α0)2p-α0ϵ(0)1+2(p-α0′′)2p-α0′′ϵ(0)2...(47)]]>方程(47)在ε(0)2×ε(0)1＝0、ε(0)2×μ(0)1＝0以及11-x=1+x(|x|<<1)]]>的條件下得出。
從方程(47)可以看出，在包括兩條具有相同p值并且共用公共焦點的二次拋物線的光腔中，從光源A0射出的光，即使光略微偏離焦點(ε(0)1＜＜p)，在其經(jīng)過光腔循環(huán)一次后，還返回其初始位置(A1＝A0)。因此，假定從光源射入包括兩條焦距不同(p和p′(0＜p′＜p))并且共用光軸和焦點的拋物線的光腔中的光，即使光可能略微偏離焦點，也能不明顯偏離其原始路徑(光精確通過焦點的路徑)傳播。
基于上述假設(shè)，下面將說明當(dāng)從光源射入包括兩條拋物線的光腔中的光略微偏離焦點時(此時兩條拋物線彼此相對使其具有不同焦距并共用光軸和焦點)，光相對焦點的偏離以及可容許的偏離程度。
圖6表示兩個二次拋物線鏡子的焦距互不相同時的光路。如上所述，兩個二次拋物線鏡子分別對應(yīng)于二次方函數(shù)y2＝-4p(x-p)601和y2＝4p′(x+p′)602，其中0＜p′＜p，并且T≡-p′p.]]>光檢測器603位于光軸上的點(p，0)，從預(yù)定光源A0604朝焦點射出的光，在其循環(huán)經(jīng)過光腔后會聚到光檢測器，從而由光檢測器對其進行檢測。如上所述，在發(fā)現(xiàn)光在光腔中經(jīng)過一次循環(huán)的光路的規(guī)律之后，可以對光的總循環(huán)進行歸納。
當(dāng)假定從預(yù)定光源604朝焦點射出的光已經(jīng)循環(huán)經(jīng)過光腔一次，路徑為A0604→B0605→C0607→D0609→A1611，并且偏離了焦點的光已經(jīng)循環(huán)經(jīng)過光腔一次，路徑為A0604→B′0606→C′0608→D′0610→A′1612，參考方程(18)和(33)可以將光的坐標表達為方程(48)和(49)A0＝(α0，β0)B0＝(Tα0，Tβ0)C0＝(T2(α0-p)+p，Tβ0)D0＝(T3(α0-p)+Tp，T2β0) …………………(48)A1＝(T4(α0-p)+p，T2β0)A0＝(α0，β0)B0′＝(α0′，β0′)＝(Tα0+ε(0)1，Tβ0+δ(0)1)C0′＝(α0″，β0″)＝(T2(α0-p)+p+μ(0)1，Tβ0+ν(0)1)D0′＝(α0，β0)＝(Tα0″+ε(0)2，Tβ0″+δ(0)2) …………………………(49)A1′＝(α1′，β1′)＝(T2(α0″-p)+p+μ(0)2，Tβ0″+ν(0)2)從光源射出的光略微偏離焦點，從而在點B0處光分別在x和y方向偏離ε(0)1和δ(0)1。此時，如上所述，假定ε(0)1、ε(0)2、δ(0)1、δ(0)2、μ(0)1、μ(0)2、ν(0)1和ν(0)2的絕對值遠小于p的值，并且其乘積收斂到“0”。即，根據(jù)從光源射出的光在p＝p′條件下循環(huán)經(jīng)過光腔一次后返回其初始位置的事實，假定從光源射出的光在光略微偏離焦點時僅略微偏離其原始路徑。
這樣，將以與p＝p′條件下分析光的光路的方式相同的方式，對p≠p′的條件下的光的光路進行分析。當(dāng)從光源A0604射出的光略微偏離焦點時，使光從點B′0反射的同時可以到達點C′0，如果 的梯度為tanθA0B′0并且 的梯度為tanΔ(=tanθB0′C0′),]]>則在使應(yīng)用光反射定律以及三角函數(shù)減法公式的同時利用上述方程(34)和(35)。
tan(θA0B0′-θB0′⊥)=tan(θB0′⊥-Δ)...(34)]]>tanΔ=2tanθB0′⊥-tanθA0B0′(1-tan2θB0′⊥)2tanθA0B0′tanθB0′+(1+tan2θB0′⊥)...(35)]]>這樣，從方程(49)可以得出方程(50)。
tanθA0B0′=β0′-β0α0′-α0=(T-1)β0+δ(0)1(T-1)α0+ϵ(0)1...(50)]]>另外，B′0是屬于函數(shù)y2＝-4p(x-p)的點，上述點的法線的梯度tanθB′⊥被表示為方程(51)。
tanθB0′⊥=-β0′2p...(51)]]>這樣，如果將方程(50)和(51)應(yīng)用于方程(35)，則tanΔ被表示為方程(52)。
tanΔ=2pϵ(0)1T(T-1)β0(2p-α0)=-δ(0)1(T-1)2(2p-α0)...(52)]]>由于tanΔ是 的梯度，因此利用梯度公式可以得出方程(53)tanΔ=β0′′-β0′α0′′-α0′=ν(0)1-δ(0)1T(T-1)α0-p(T-1)(T+1)+μ(0)1-ϵ(0)1...(53)]]>由于方程(52)與方程(53)相等，因此可以計算出ε(0)1和μ(0)1之間的關(guān)系。
這里，如果將B′0的坐標代入函數(shù)y2＝-4p(x-p)，則得出δ(0)1=-2pTβ0ϵ(0)1.]]>另外，如果將C′0的坐標代入函數(shù)y2＝4p′(x+p′)，則得出ν(0)1=-2p′Tβ0μ(0)1.]]>μ(0)1=p(T+1)-2T(α0-p)2p-α0ϵ(0)1...(54)]]>到達點C′0的光，從點C′0反射，因此可以將反射光認為是一個新的光源。因此，ε(0)2和μ(0)2之間的關(guān)系可以用類似于方程(54)的方程(55)表示μ(0)2=p(T+1)-2T(α0′′-p)2p-α0′ϵ(0)2...(55)]]>因此，根據(jù)ε(0)1和ε(0)2之間的關(guān)系可以得出μ(0)2，從而得出點A′1612的坐標。這樣，假定 的梯度為tanθC′0D′0，并且法線C′0的梯度為tanθC′0⊥，從三角函數(shù)的減法公式再次使用方程(45)。
tan(θC0′D0′-θB0′⊥)=tan(θB0′⊥-Δ)]]>tanθC0′D0′=2tanθB0′⊥+tanΔ(1-tan2θB0′⊥)2tanθB0′⊥tanΔ+1-tan2θB0′⊥=β0′′′-β0′′α0′′′-α0′′...(45)]]>由于點B′0處法線的梯度是tanθB0′⊥=β0′′2p,]]>如果用方程(49)和方程(52)改寫方程(45)，則可以得出ε(0)1與ε(0)2之間的關(guān)系如下ϵ(0)2=-2p-α0′′2p-α0ϵ(0)1...(56)]]>如果將方程(54)、(55)和(56)應(yīng)用于方程(49)，則可以按照α′1將方程(49)重寫為方程(57)所示α1′=T2(α0′′-p)+p+μ(0)2]]>=T2[T2α0-p)+μ(0)1]+p+p(T+1)-2T(α0′′-p)2p-α0′′ϵ(0)2]]>=T4(α0-p)+p+T2[p(T+1)-2T(α0-P)2p-α0ϵ(0)1]-p(T+1)-2T3(α0-p)2p-α0ϵ(0)1]]>=T4(α0-p)+p+p(T+1)(T2-1)2p-α0ϵ(0)1...(57)]]>根據(jù)方程(57)，如果從光源604射出的光在傳播時略微偏離焦點，則光在循環(huán)光腔一次后到達點α′1。為了歸納這一點，在下面的描述中，α′1將表示為沒有撇號。由于撇號是為了區(qū)別偏離焦點的光與經(jīng)過焦點的光而使用的，因此即使為了歸納而省略了撇號也不會限制本發(fā)明的范圍。
方程(57)可以被歸納為方程(58)所示αn=T4(αn-1-p)+p+p(T+1)(T2-1)2p-αn-1ϵ(n-1)1...(58)]]>另外，由于從點C′0反射的光可以被視為一個新光源，因此ε(1)1與ε(0)2具有方程(59)所示的關(guān)系ϵ(1)1=-2p-α12p-α0′′ϵ(0)2...(59)]]>因此，可以從方程(56)和(59)導(dǎo)出ε(1)1與ε(0)2之間的關(guān)系如方程(60)所示ϵ(1)1=-2p-α12p-α0′′ϵ(0)2=(-1)22p-α12p-α0′′×2p-α0′′2p-α0ϵ(0)1=2p-α12p-α0ϵ(0)1...(60)]]>這里，ε(0)1、ε(0)2、μ(0)1和μ(0)2的乘積收斂到“0”。如果將方程(60)應(yīng)用于方程(56)，則通過歸納可以得到方程(61)ϵ(1)1=-2p-α12p-α0′′ϵ(0)2...(61)]]>另外，如果將方程(61)應(yīng)用于方程(58)，則通過歸納可以得出方程(62)αn=T4(αn-1-p)+p+p(T+1)(T2-1)2p-αn-1ϵ(n-1)1]]>=T4(αn-1-p)+p+p(T+1)(T2-1)2p-α0ϵ(0)1...(62)]]>αn-p=T4(αn-1-p)+p(T+1)(T2-1)2p-α0ϵ(0)1...(63)]]>如果n→∞則αn＝αn-1，因此當(dāng)假定α∞-p＝σ時，σ是一個絕對值非常小的負數(shù)(方程(62)是收斂函數(shù))。因此，當(dāng)n→∞，方程(63)可以表示為方程(64)σ=T4σ+p(T+1)(T2-1)2p-α0ϵ(0)1...(64)]]>
當(dāng)按照σ重寫方程(64)時得到方程(65)σ=-p(T+1)(1+T2)(2p-α0)ϵ(0)1...(65)]]>如果當(dāng)n→∞時βn收斂到γ，則可以基于函數(shù)y2＝-4p(x-p)對+x軸得到方程(66)σ=-γ24p=-p(T+1)(1+T2)(2p-α0)ϵ(0)1...(66)]]>另外，可以按照γ將方程(66)重寫為方程(67)所示，其中為了方便在ε(0)1＞0的條件下將γ的值設(shè)為正數(shù)γ=4p2(T+1)(1+T2)(2p-α0)ϵ(0)1...(67)]]>這里，γ是從光源射出的并偏離焦點傳播的光最終會聚的點的y坐標。如果光檢測器的直徑設(shè)為L2，如圖4所示，則必須滿足條件γ<L22.]]>這樣，方程(67)必須變?yōu)榉匠?68)γ=4p2(T+1)(1+T2)(2p-α0)ϵ(0)1<L22...(68)]]>另外，方程(68)還表示限定允許從光源射出的光被光檢測器檢測的光偏離的最大極限值的ε(0)1條件。因此，方程(68)按照ε(0)1可改寫為方程(69)ϵ(0)1<(2p-α0)(1+T2)16p2(T+1)L22...(69)]]>如果從光源射出的光的發(fā)散ε(0)1滿足方程(69)，則光檢測器檢測到光。如果發(fā)散光不滿足方程(69)，則光通過光腔無限循環(huán)，直到最終在光腔內(nèi)消失。另外，當(dāng)從光源射出的光發(fā)散時，可以根據(jù)方程(69)計算對氣體密度測量有實際貢獻的光的強度。
從點光源射出的光理論上具有各向同性特性。但實際上，根據(jù)光源狀態(tài)，光源按高斯分布發(fā)射光，其中沿特定方向射出強度最高的光，而在特定方向的周圍光的強度逐漸減小。根據(jù)本發(fā)明，點光源具有凹面鏡或透鏡，從而本發(fā)明不僅在特定方向射出強度最高的光，而且通過調(diào)節(jié)凹面鏡或透鏡提供平行光或會聚到一點的光。盡管如此，氣室的元件由于外部沖擊或氣室的缺陷可能未對齊，其中氣室的缺陷可能出現(xiàn)在制造工藝過程中。在這種情況下，從光源射出的光可能偏離所需的光路傳播?；诖嗽?，可以根據(jù)方程(69)計算氣室克服光偏離的穩(wěn)定性。例如，在圖1所示的氣室中，如果p＝15mm，p′＝13.5mm，T＝-0.9，L2＝4mm以及α0＝p-p′，則方程(69)中所示的ε(0)1可以表示為ϵ(0)1<(1+T2)(p+p′)16p2(T+1)L22=2.29mm.]]>即，如果光偏離光路距離x軸方向在2.29mm范圍內(nèi)，則光檢測器可以檢測到光。由于此結(jié)果是僅僅考慮一個方向(即，+x軸)得出的，因此當(dāng)-x軸也考慮在內(nèi)時，即使光發(fā)散的范圍在4.58mm以內(nèi)，光檢測器也能穩(wěn)定地檢測到光。
6.根據(jù)本發(fā)明制造的光腔的分析例下面將參考方程(26)、(29)和(32)說明對根據(jù)本發(fā)明制造的光腔的分析方案。
在制造具有焦距(p＝15mm和p′＝13.5mm)、光束尺寸(L1＝4mm)以及光檢測器尺寸(L2＝4mm)的光腔之后，利用方程(29)檢測光束尺寸和光檢測器尺寸之間的重合。此時，由于T＝-0.9，因此得到2p-T(1-T2)(1-T)>L1→2×15(mm)×0.949×0.19×1.9=10.3(mm)>4(mm),]]>這滿足方程(29)。接著，根據(jù)方程(32)計算光在光腔中的循環(huán)次數(shù)如下N<ln(L1+L24pp′)2ln(p′p)=ln(84202.5)2ln(0.9)=9.90]]>因此，從光源射出的光，在其經(jīng)過光腔循環(huán)9次后，由光檢測器檢測。在這種情況下，光路的長度(L)可以利用方程(26)計算L=Σn=1NL(αn)=4N(p+p′)=4×10×28.5=1140mm]]>即，光路長度為114cm。
表1表示根據(jù)本發(fā)明制造氣室時的不同參數(shù)(L1＝L2＝4mm)。
表1考慮光束尺寸和光檢測器尺寸時不同p和p′條件下的循環(huán)次數(shù)(N)和光路長度(L)

例如，如果需要制造尺寸為50mm×25mm的氣室，則根據(jù)表1中的第5號制造光路約為1590mm(1.59m)的氣室。
盡管為了解釋的目的描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認識到，在不偏離權(quán)利要求給出的本發(fā)明范圍和精神的前提下，可以進行各種修改、增添和替代。
權(quán)利要求
1.一種氣室，包括光腔，所述光腔在光學(xué)上是封閉的，并且包括彼此相對排列的兩個凹面鏡，其中入射到所述光腔的光從所述凹面鏡交替反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣室，其中所述凹面鏡包括拋物線凹面鏡，并且所述拋物線凹面鏡的拋物線共用一個焦點和一根光軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣室，其中所述拋物線凹面鏡的拋物線的焦距彼此不同，光源位于所述焦距較長的拋物線凹面鏡的一個點上，從而從所述光源朝所述焦點射出的光，在從所述拋物線凹面鏡反射的同時經(jīng)過所述光腔循環(huán)之后，會聚到所述光軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣室，其中所述光的光路隨所述兩條拋物線的焦距之比而變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣室，還包括光檢測器，用于檢測從所述光源入射到所述光腔的光，其中在光被所述光檢測器檢測到之前，光在所述光腔內(nèi)的光路長度滿足以下方程L＝4Np(1-T)＝4N(p+p′)式中N是光的循環(huán)次數(shù)，p和p′是所述兩條拋物線的焦距，T＝-p′/p。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣室，其中當(dāng)所述光源的位置為A0＝(α0，β0)時，光經(jīng)過所述光腔循環(huán)一次之后，在所述凹面鏡上反射光的點的位置為A1＝(α1，β1)，當(dāng)光經(jīng)過所述光腔循環(huán)N次之后，用于檢測光的所述光檢測器的位置為AN＝(αN，βN)，光的光束尺寸以及所述光檢測器的截面半徑滿足以下方程β0-β1>L12+L12sinθ]]>和βN>L22]]>式中，L1是光的光束尺寸，L2是所述光檢測器的截面半徑，θ是所述光源射出的光相對所述光軸的法線方向的入射角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣室，其中，當(dāng)所述光源射出的光首先從位置B′＝(-α0+ε1，-β0+δ1)反射時，表示所述光源射出的光的發(fā)散程度的ε1的值滿足以下方程ϵ1<(2p-α0)(1+T2)16p2(T+1)L22]]>
8.一種制造氣體傳感器的方法，包括以下步驟將兩個凹面鏡彼此相對排列，從而形成光學(xué)上封閉的光腔；將光源安裝在所述光腔中；以及將光檢測器安裝在所述光腔中，用于檢測從所述光源入射到所述光腔的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光腔是使用兩個拋物線凹面鏡形成的，并且所述拋物線凹面鏡的拋物線共用一個焦點和一根光軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中排列所述拋物線凹面鏡，使其拋物線具有彼此不同的焦距，所述光源位于所述焦距較長的拋物線凹面鏡的一個點上，從而從所述光源朝焦點射出的光，在從所述拋物線凹面鏡反射的同時經(jīng)過所述光腔循環(huán)之后，會聚到所述光軸上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過調(diào)節(jié)所述兩條拋物線的焦距之比來控制所述光的光路。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括調(diào)節(jié)所述兩條拋物線之間的焦距之比的步驟，所述調(diào)節(jié)方式使光被所述光檢測器檢測到之前，光在所述光腔內(nèi)的光路長度滿足以下方程L＝4Np(1-T)＝4N(p+p′)式中N是光的循環(huán)次數(shù)，p和p′是所述兩條拋物線的焦距，T＝-p′/p。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)所述光源的位置為A0＝(α0，β0)時，光經(jīng)過所述光腔循環(huán)一次之后，在所述凹面鏡上反射光的點的位置為A1＝(α1，β1)，當(dāng)光經(jīng)過所述光腔循環(huán)N次之后，用于檢測光的所述光檢測器的位置為AN＝(αN，βN)，所述光源安裝在所述光腔中，安裝的方式使光的光束尺寸滿足以下方程β0-β1>L12+L12sinθ]]>式中，L1是光的光束尺寸，θ是所述光源射出的光相對光軸的法線方向的入射角，并且所述光源安裝在所述光腔中，安裝的方式使所述光檢測器的截面半徑滿足以下方程βN>L22]]>式中，L2是所述光檢測器的截面半徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光腔以及一種使用所述光腔制造的氣室。光腔是氣室最重要的元件，利用氣體的光吸收特性測量氣體密度。氣室包括兩個二次拋物線凹面鏡，二者共用一個焦點和一根光軸。朝焦點入射的光由兩個二次拋物線凹面鏡反射從而光可以平行于光軸傳播，并且平行于光軸入射的光可以在由兩個二次拋物線凹面鏡反射后經(jīng)過焦點。光腔包括兩個二次拋物線凹面鏡，二者具有不同焦距，彼此相對排列，從而利用其反射特性使它們共焦。
文檔編號G01N21/61GK101044392SQ200580035672
公開日2007年9月26日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月18日
發(fā)明者李承煥, 樸正翼 申請人:Elt株式會社