[发明专利]一种紧凑型传感器件

说明书

本申请涉及光学传感领域，提供一种紧凑型传感器件。本申请实施例通过提供一种紧凑型传感器件，使得光线在各反射镜的反射面上的轨迹为椭圆轨迹，缩小了反射腔体的体积，光程体积比高；通过采用一个凹面反射镜和一个平面反射镜构成的两镜系统或两个凹面反射镜构成两镜系统，或者，在两镜系统基础上增加一对折叠反射镜构成四镜系统，具有光学系统结构简单，成本低，装配容易的优点，当两个反射镜之间的相对位置和角度由于温度、振动、封装机械应力变化等因素产生小量变化时，输出光线的光斑位置和角度变化很小，系统可靠性和稳定性高。

技术领域

本申请属于光学传感领域，尤其涉及用于气体光学传感的紧凑型传感器件。

背景技术

在有限体积内，实现光束的多次反射，使光束走过相对较长的光程，这样的光学器件在光学传感领域，特别是针对特种气体的传感和分析领域有重要的应用。

目前半导体可调激光吸收光谱分析(以下简称TDLAS)和傅里叶变换红外光谱分析(以下简称FTIR)是两个主流的技术路线，前者主要基于可调激光在近红外波段进行光谱分析，后者采用宽谱光源通过傅里叶变换在中远红外进行光谱分析。

为了达到足够的探测精度，无论TDLAS还是FTIR都需要一个长光程气室，以使光束在所需分析气体内传输足够的光程以增强吸收谱线，为了使探测仪器仪表的体积在可接受范围内，长光程气室需采用光程折叠器件的形式，以在有限体积内尽可能多次反射光束，以达到足够的光程。

针对TDLAS应用，由于激光束的发散角小，工业界普遍采用赫里奥特室结构(APPLIED OPTICS/Vol.3,No.4/April 1964)，如图1所示，赫里奥特室100采用两个具有相同焦距f的凹面反射镜103、104形成反射腔，当输入端101输入光束的入射方向和位置、两个凹面反射镜沿z方向的距离d满足一定条件时(一般取0d2f或2fd4f的离焦配置)，光束将在两个凹面反射镜来回多次反射，最后从输出端102输出。如图2所示，示例性的示出在两个凹面反射镜203、204上，反射点在x-y平面上形成圆形的光斑轨迹201。

针对FTIR应用，由于光源需要非相干的宽谱热光源，光束发散角大，赫里奥特室的性能不能满足要求，这是由于赫里奥特室必需的离焦配置特性导致，离焦系统多次反射后非相干光束发散角无法收敛，工业界则普遍采用传统的怀特室结构(White，J.U.“LongOptical Paths of Large Aperture”J.Opt.Soc.Am.,Vol.32,pp285-288,May 1942)，如图3所示，怀特室300由三个具有相同曲率半径和焦距f的凹面反射镜组成，主反射镜301位于一侧，两个次反射镜302、303位于主反射镜相对一侧，输入光束304和输出光束305位于主反射镜两侧。两个次反射镜带有一定倾角，主反射镜与两个次反射镜的距离设置为2f，使光束在主反射镜和两个次反射镜来回多次反射成像，最后从主反射镜一侧输出。光斑在主反射镜上的轨迹如图4所示，通常输入光束位置404偏离主反射镜401轴心线402，使得光斑分布在两排轨迹403、406上，以获得最大的反射次数。输出光束位置405通常在与输入光束同排轨迹406的另一侧。