專利名稱：光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種環(huán)境潔凈度檢測設(shè)備的零組件，特別涉及一種用于檢測空氣塵埃粒子的光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，空氣塵埃粒子檢測設(shè)備所采用的光學(xué)傳感器大多仍是以氦氖激光器作光源，以光電倍增管作光信號接收部。例如，1992年12月30日申請的中國專利第ZL92245806.5號所揭示的“塵埃粒子計數(shù)器光學(xué)傳感器”即是由單模氦氖激光器、具有擴(kuò)束作用的三棱透鏡、光欄、半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡、樣氣通道、光陷阱、消雜光光欄和光電倍增管等元件組成。其中，氦氖激光器作為光源，用于提供激光束。樣氣通道與激光束縱向垂直相交區(qū)域為光敏感區(qū)，含有塵埃顆粒的被測空氣從樣氣通道進(jìn)入光敏感區(qū)。當(dāng)激光束通過三棱透鏡擴(kuò)束和光欄截取后，由半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡的進(jìn)光通道進(jìn)入光敏感區(qū)，即穿過被測空氣，最后被位于半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡出光通道外的光陷阱吸收。被測空氣中的塵埃粒子被激光束照射后產(chǎn)生光散射，一定立體角范圍內(nèi)的粒子散射光信號再由半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡收集反射，穿過消雜光光欄后被光電倍增管吸收。
上述現(xiàn)有光學(xué)傳感器主要存在以下缺點1.功耗大由于氦氖激光器及光電倍增管均須以高壓放電形式驅(qū)動，一般氦氖激光器的循環(huán)功率可以高達(dá)幾十甚至于上百瓦，因此電源的功耗大且體積大。
2.易損壞由于氦氖激光器大多采用玻璃毛細(xì)管制成，因此在運(yùn)輸過程中極易發(fā)生破損。
3.維護(hù)困難氦氖激光器光學(xué)準(zhǔn)直非常敏感，如有一點誤差，功率將會急劇下降而極大的影響儀器的準(zhǔn)確性和靈敏度。
4.使用壽命短由于氦氖激光器的氣體放電管是在高壓下工作，帶電荷粒子很容易吸附在放電管的布魯斯特窗的光學(xué)表面上，從而使激光器的內(nèi)腔功率下降，此外放電管的慢漏氣也會縮短其工作壽命。
5.成本高由于氦氖激光器和光電倍增管都需用高壓電源，使得制造和維護(hù)成本均提高了。
6.信噪比低采用的半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡加工要求高，難于獲得高的表面光潔度和反射率，因而對散射光的集光效率低，漫反射嚴(yán)重，系統(tǒng)的背影光噪聲強(qiáng)，影響信噪比的提高。另外，半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡需要打孔，加工時容易炸裂，因而加工困難，而且成品率低。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對上述傳統(tǒng)光學(xué)傳感器的不足，為潔凈度檢測提供一種采用全半導(dǎo)體器件設(shè)計的新型光學(xué)傳感器，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工容易、信噪比高、靈敏度高而且功耗低，成本低等特點。
為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案是提供一種光學(xué)傳感器，其包括一用于發(fā)射激光束的半導(dǎo)體激光光源，一設(shè)于所述半導(dǎo)體激光光源右側(cè)并且用于使激光束變形為薄片狀光束的光束整形系統(tǒng)，一位于光束整形系統(tǒng)右側(cè)并由采樣氣流與激光束垂直相交形成的區(qū)域為光敏感區(qū)，一設(shè)于光敏感區(qū)右側(cè)并用于吸收激光束的擋光器，一用于收集光敏感區(qū)產(chǎn)生的散射光信號的光信號收集系統(tǒng)，以及一用于接收散射光信號的半導(dǎo)體光電探測器。其中，所述光束整形系統(tǒng)包括沿激光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的一用于將激光束準(zhǔn)直為平行光束的短焦距準(zhǔn)直透鏡以及一用于將激光束一維會聚為薄片狀光束的柱狀透鏡。所述光信號收集系統(tǒng)至少包括一凹面反射鏡，所述凹面反射鏡與半導(dǎo)體光電探測器位于所述光束整形系統(tǒng)與擋光器之間，并分設(shè)于所述光敏感區(qū)的前后兩側(cè)附近。
更具體地，所述凹面反射鏡為一橢圓反射鏡。
更具體地，所述凹面反射鏡為一球面反射鏡，所述光信號收集系統(tǒng)還包括一聚光透鏡，所述聚光透鏡位于所述光敏感區(qū)與半導(dǎo)體光電探測器之間，并與所述球面反射鏡分設(shè)于光敏感區(qū)的前后兩側(cè)。
更具體地，所述半導(dǎo)體激光光源為半導(dǎo)體二極管激光器。
更具體地，所述半導(dǎo)體光電探測器為半導(dǎo)體二極管探測器。
更具體地，所述半導(dǎo)體光電探測器為雪崩二極管探測器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型具有以下有益效果1.由于本實用新型采用低功率的半導(dǎo)體激光光源和半導(dǎo)體光電探測器設(shè)計，因而不再需要高壓供電，大大降低了電功損耗，發(fā)熱量也大為降低，同時光學(xué)傳感器的體積和重量亦大幅度減小，因此使用本實用新型制成的產(chǎn)品具有小巧便攜的特點。
2.由于本實用新型所采用的半導(dǎo)體激光光源發(fā)出的光束方向性好，因此可確保發(fā)出的幾乎所有光能量都能被準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直；而且柱狀透鏡又把準(zhǔn)直后的激光束一維會聚成橫截面積很小的薄片狀光束后再射向光敏感區(qū)，因而光敏感區(qū)的照明光強(qiáng)度高，本實用新型光學(xué)傳感器的信號強(qiáng)度，靈敏度也都比現(xiàn)有技術(shù)大為提高。
3.由于本實用新型采用易于精密批量光學(xué)加工的凹面反射鏡來收集散射光信號，因此可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)中所采用的半旋轉(zhuǎn)橢圓集光鏡更高的表面光潔度和反射率以及較小的象差，從而使系統(tǒng)的信噪比得以大幅度提高。
4.由于本實用新型采用凹面反射鏡與半導(dǎo)體光電探測器共同雙向、大角度收集散射光信號，使散射光信號收集效率大幅度提高，尤其是采用最易于加工的球面反射鏡與聚光鏡配合使用，使散射光信號的有效收集立體角范圍增大，這使光學(xué)傳感器的信號強(qiáng)度和信噪比都提高了，傳感器的靈敏度也同時提高了。
本實用新型光學(xué)傳感器的具體結(jié)構(gòu)將由以下附圖和實施例詳細(xì)給出。

圖1是本實用新型光學(xué)傳感器第一實施例的光路結(jié)構(gòu)簡化示意圖。
圖2是本實用新型光學(xué)傳感器第一實施例所采用的光束整形系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實用新型光學(xué)傳感器第一實施例所采用的光信號收集系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實用新型光學(xué)傳感器第二實施例所采用的光信號收集系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式請參閱圖1，本實用新型光學(xué)傳感器第一實施例包括一用于發(fā)射激光束的半導(dǎo)體激光光源1。為便于說明，本文將半導(dǎo)體激光光源1射出的激光束前進(jìn)方向定義為右側(cè)，對應(yīng)的垂直圖面的方向為前后方。所述半導(dǎo)體激光光源1右側(cè)設(shè)有一光束整形系統(tǒng)2，激光束穿過光束整形系統(tǒng)2后與含有塵埃粒子的采樣氣流5垂直相交，二者垂直相交形成的區(qū)域則被定義為光敏感區(qū)4。光敏感區(qū)4右側(cè)設(shè)有一用于吸收激光束的擋光器7。另外，在光束整形系統(tǒng)2與擋光器7之間還設(shè)有一用于收集光敏感區(qū)4產(chǎn)生的散射光信號的光信號收集系統(tǒng)3和一用于接收散射光信號的半導(dǎo)體光電探測器6，所述光信號收集系統(tǒng)3至少包括一凹面反射鏡，所述凹面反射鏡與半導(dǎo)體光電探測器6分設(shè)于光敏感區(qū)4的前后兩側(cè)附近。在本實施例中，半導(dǎo)體激光光源1為一半導(dǎo)體二極管激光器。
另請同時參閱圖2，所述光束整形系統(tǒng)2的作用是將半導(dǎo)體激光光源1發(fā)射的激光束折射變形成一薄片狀光束射出。如圖2所示，所述光束整形系統(tǒng)2包括沿激光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的一用于將激光束準(zhǔn)直為平行光束的短焦距準(zhǔn)直透鏡21以及一用于將激光束一維會聚為薄片狀光束的柱狀透鏡22。
再請同時參閱圖3，本實施例中所采用的光信號收集系統(tǒng)3包括一球面反射鏡31及一聚光透鏡32，所述聚光透鏡32位于光敏感區(qū)4與半導(dǎo)體光電探測器6之間，并與球面反射鏡31分設(shè)于光敏感區(qū)4的前后兩側(cè)。所述球面反射鏡31的焦點與光敏感區(qū)4的中心點重合。當(dāng)激光束穿過光束整形系統(tǒng)2變?yōu)楸∑瑺罟馐淙牍饷舾袇^(qū)4時，激光束射在采樣氣流5中的塵埃粒子上便形成散射光。此時，射向半導(dǎo)體光電探測器6的部份散射光信號將直接經(jīng)聚光透鏡32會聚后被探測器6接收，另一方向的大部份散射光則將被球面反射鏡31反射后，再經(jīng)聚光透鏡32折射至半導(dǎo)體光電探測器6吸收。本實用新型光學(xué)感測器中的半導(dǎo)體光電探測器6既可選用半導(dǎo)體二極管探測器，亦可選用雪崩二極管探測器。
此外，再請參閱圖4所示，在本實用新型光學(xué)感測器的第二實施例中，所述光信號收集系統(tǒng)3亦可僅采用單一橢圓反射鏡33來實現(xiàn)散射光信號的收集。所述橢圓反射鏡33的焦點與光敏感區(qū)4的中心重合。
由上述實施例可知，本實用新型主要是采用了低功率的半導(dǎo)體激光光源以及靈敏度偏低的半導(dǎo)體光電探測器設(shè)計，同時整合簡單有效的光束整形系統(tǒng)及光信號收集系統(tǒng)以實現(xiàn)高靈敏度及信噪比的光學(xué)傳感器設(shè)計。此外，本實用新型的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)小巧簡單，可用于各類手持式、便攜式空氣粒子計數(shù)器或超凈車間多點采樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由此光學(xué)傳感器而形成的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在微電子、半導(dǎo)體工業(yè)、精密機(jī)械生產(chǎn)加工、生物、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品飲料加工航空航天、國防和科研、大氣監(jiān)測、室內(nèi)外空氣質(zhì)量檢測分析等行業(yè)，為各省市藥檢所、血液中心、防疫站、疾控中心、質(zhì)量監(jiān)督所等權(quán)威機(jī)構(gòu)、超大規(guī)模集成電路超凈車間(室)，各類電子行業(yè)、制藥車間、半導(dǎo)體、光學(xué)或精密機(jī)械加工、塑膠、噴漆、醫(yī)院、環(huán)保、檢驗所，食品加工等生產(chǎn)企業(yè)和科研部門所使用，是用戶檢測凈化環(huán)境的必備工具。以超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)制造環(huán)境為例，本實用新型的光學(xué)傳感器可應(yīng)用于實時在線檢測生產(chǎn)環(huán)境中的空氣凈化級別，確定污染源，提高產(chǎn)品合格率，從而增加生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)傳感器，包括一用于發(fā)射激光束的激光光源，以及一用于吸收激光束的擋光器，其特征在于所述激光光源為半導(dǎo)體激光光源；所述光學(xué)傳感器還包括一設(shè)于所述半導(dǎo)體激光光源右側(cè)并且用于使激光束變形為薄片狀光束的光束整形系統(tǒng)，一位于光束整形系統(tǒng)右側(cè)并由采樣氣流與激光束垂直相交形成的區(qū)域為光敏感區(qū)，一用于收集光敏感區(qū)產(chǎn)生的散射光信號的光信號收集系統(tǒng)，以及一用于接收散射光信號的半導(dǎo)體光電探測器；所述擋光器設(shè)于所述光敏感區(qū)右側(cè)；所述光束整形系統(tǒng)包括沿激光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的一用于將激光束準(zhǔn)直為平行光束的短焦距準(zhǔn)直透鏡以及一用于將激光束一維會聚為薄片狀光束的柱狀透鏡；所述光信號收集系統(tǒng)至少包括一凹面反射鏡，所述凹面反射鏡與半導(dǎo)體光電探測器位于所述光束整形系統(tǒng)與擋光器之間，并分設(shè)于所述光敏感區(qū)的前后兩側(cè)附近。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于所述凹面反射鏡為一橢圓反射鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于所述凹面反射鏡為一球面反射鏡，所述光信號收集系統(tǒng)還包括一聚光透鏡，所述聚光透鏡位于所述光敏感區(qū)與半導(dǎo)體光電探測器之間，并與所述球面反射鏡分設(shè)于光敏感區(qū)的前后兩側(cè)。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光光源為半導(dǎo)體二極管激光器。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體光電探測器為半導(dǎo)體二極管探測器。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體光電探測器為雪崩二極管探測器。
專利摘要本實用新型公開了一種光學(xué)傳感器，其包括一半導(dǎo)體激光光源，一設(shè)于半導(dǎo)體激光光源右側(cè)的光束整形系統(tǒng)，一位于光束整形系統(tǒng)右側(cè)并由采樣氣流與激光束垂直相交形成的區(qū)域為光敏感區(qū)，一設(shè)于光敏感區(qū)右側(cè)的擋光器，一用于收集光敏感區(qū)產(chǎn)生的散射光信號的光信號收集系統(tǒng)，以及一用于接收散射光信號的半導(dǎo)體光電探測器。其中，光束整形系統(tǒng)包括沿激光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的一準(zhǔn)直透鏡以及一柱狀透鏡。所述光信號收集系統(tǒng)至少包括一凹面反射鏡，凹面反射鏡與半導(dǎo)體光電探測器位于所述光束整形系統(tǒng)與擋光器之間，并分設(shè)于光敏感區(qū)的前后兩側(cè)附近。本實用新型光學(xué)傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工容易、信噪比高、靈敏度高、功耗低、成本低等特點。
文檔編號G01N15/00GK2935133SQ20062001421
公開日2007年8月15日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者林海, 雍華蓉 申請人:深圳市賽納威環(huán)境儀器有限公司