[发明专利]具有大量程的光腔

说明书

本发明涉及一种光腔(1)，其包括：‑一组旨在接收光源(S)发出的光线的椭圆镜(Msubgt;1/subgt;至Msubgt;5/subgt;)，从所述椭圆镜(Msubgt;1/subgt;至Msubgt;5/subgt;)射出的光线旨在由检测器(D)接收；‑由该组椭圆镜(Msubgt;1/subgt;至Msubgt;5/subgt;)共享的第一共用焦点(Fsubgt;1/subgt;)和第二共用焦点(Fsubgt;2/subgt;)，所述光源(S)旨在设置在所述第一共用焦点(Fsubgt;1/subgt;)处，所述检测器(D)旨在设置在所述第二共用焦点(Fsubgt;2/subgt;)处；‑外廓部，其包括由连续地设置的该组椭圆镜(Msubgt;1/subgt;至Msubgt;5/subgt;)形成的一部分。

技术领域

本发明涉及光腔的技术领域。本发明尤其应用于光谱传感器中。光谱传感器包括光腔、发出光线的光源，和光线检测器。光源可例如是量子级联激光器或热源。作为应用，可举出流体传感器、颗粒传感器、生物传感器等的例子。

更确切地说，可举出用于检测例如气体的流体的非色散红外传感器(传统地称作NDIR，对应英文“Non-Dispersive InfraRed”)的例子。红外光源优选地是热源。“红外”指包括在0.78μm至12μm的范围内的波长。红外检测器可例如是红外探测器或高温计。优选地考虑的应用在于检测工业环境中的气体，例如CO₂。该检测传统地是阈值检测。另一可行的应用在于分析气体，这意味着精确、选择性且稳定的定量测量，以获得对构成的分析，甚至单独地检测所吸入的空气的CO₂含量。这样的NDIR传感器可集成在例如手机、计算机、相机等的便携系统中。本发明也可应用在用于自动化设备、内部和外部空气质量分析、工业检测器等的固定系统中。

背景技术

NDIR传感器的运作原理在于通过红外检测器测量当待检测气体位于光腔内部时光强度的降低。实际上，位于光腔内部的气体吸收对于待检测气体特定的波长(或特定的光谱带)的红外光。为此，当光源是热源时，红外检测器传统地设有适于过滤预定的所述波长(或光谱带)的滤波器。

例如，假设气体分子均匀分布，比尔-朗伯定律为光穿过气体的透过率T提供以下公式：

T＝exp(-σNl)

其中：

-σ是一个气体分子的有效吸收截面；

-N是单位体积的气体分子数；

-l是气体与光之间的相互作用长度。

作为例子，对于CO₂，相互作用长度l优选地包括在数毫米至数十厘米的范围内。

追求紧凑、低成本且低电能消耗的NDIR传感器。因为追求高度的紧凑性，由于大的相互作用长度(可达到数十厘米)，使用在光源与红外检测器之间具有直接路径(其中包括存在透镜)的光腔是不可行的。“具有直接路径的腔”指以没有能折叠光束的镜子的方式运作的腔。

已知折叠光腔，即在光腔中设置镜子，以沿着来自该或该些镜子上的相继反射的间接路径来引导光源发出的光线。

由现有技术、尤其是由文献DE4102146已知的光腔包括旨在反射光源发出的光线的椭圆镜。光源设置在椭圆镜的一个焦点处，检测器设置在椭圆镜的另一焦点处。由此，如果考虑几何光学模型，光源发出的光线经过光腔两次。

如果将最小可检测气体浓度记为C_min，最大可检测气体浓度记为C_max，可证实对于现有技术的这样的光腔，C_min和C_max满足以下关系：

其中：