一种测量颗粒浓度的激光发射镜头

1.本实用新型涉及光学镜头技术领域，具体而言，涉及一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，适用于在颗粒浓度测量，尤其是固态或液态颗粒浓度测量。


背景技术：

2.在颗粒测量领域，用激光散射方法测量颗粒浓度时，一般采用小型半导体激光器，用透镜直接准直后变为平行光、或用透镜会后变为会聚光，然后将该平行光或会聚光照射在颗粒样品处，当颗粒样品发生散射时，根据颗粒粒度分布，在一定的散射角下采集颗粒的散射光信号从而实现颗粒浓度测量。该方法适用于固态或液态颗粒的浓度测量。
3.光路的准直即将点光源变为平行光，在对小型半导体激光器的光进行准直时，由于激光器发射光斑大且模式差，造成激光准直后的平行性差，即光斑大小经过一段空间后变化很大；如果对小型半导体激光器的光进行会聚处理，那么也造成会聚点光斑太，测量散射信号时后续计算误差增大。
4.在固态颗粒测量中，一般用采样装置将样品颗粒连续采样后在循环样品池中测量，采用上述准直或会聚光路时，都会因样品池壁反射造成背景噪声大、颗粒散射光的信噪比差。同时，当固态颗粒需要加热去除水汽时，加热装置产生变化的高温会严重影响直接安装在测量管路上的小型半导体激光器，使发光不稳定，测量困难。
5.在液态颗粒测量中，如喷嘴产生的水雾或油雾进行测量时，要将光路直接照射雾场进行测量。为了避免雾滴污染镜头，需要镜头要离开一定的空间距离，因此，应采用准直光路，且要求在覆盖雾场的较大空间距离上光斑的平行性要好。
6.小型半导体激光器的光斑模式差，如果先将光斑耦合到光纤中，在光纤的出射端就会变为功率分布均匀的圆形光斑，使光斑模式变好；同时，将小型半导体激光器远离加热装置，通过光纤传输能够解决加热装置对激光功率的严重影响。
7.考虑到上述的影响因素，因此在固态或液态颗粒的浓度测量领域，优先选用半导体光纤激光准直光路作为入射光源，但存在激光器到光纤耦合效率低的问题。为了提高光纤耦合效率，可以通过增大光纤数值孔径得以实现，但会导致准直效果差，很难变成平行光。
8.为了解决小型半导体激光束经光纤耦合后准直性差、平行光覆盖空间范围小的问题，本实用新型提供一种测量颗粒浓度的激光发射镜头。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种准直性好、平行光覆盖空间范围大、光能分布均匀的用于颗粒测量的小型半导体激光器的光纤准直镜头。
10.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，包括从物面到像面沿一个光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述第一透镜至第四透镜各自包括一朝向物面且使成像光线通过的物侧面以及一朝向
像面且使光线通过的像侧面；
11.所述第一透镜为双凹玻璃球面镜片，具有负光焦度；
12.所述第二透镜为双凸玻璃球面镜片，具有正光焦度；
13.所述第三透镜为负弯月型且凹面朝向像面的玻璃球面镜片；
14.所述第四透镜为双凸玻璃球面镜片，具有正光焦度；
15.进一步地，所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，在工作时，物面位于第一透镜物侧面的前方6.2-6.3mm处，物方数值孔径为0.22。
16.进一步地，光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜后，成为直径为3.9-4mm的平行光束，该平行光束在空间传播距离不小于3000mm。
17.进一步地，该镜头满足下列条件式：-8＜f1’＜-7，5＜f2’＜6，-20＜f3’＜-19，15＜f4’＜16，其中，f1’、f2’、f3’、f4’分别为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的像方焦距。
18.进一步地，该镜头满足下列条件式：1.72＜n1＜1.79，1.68＜n2＜1.70，1.68＜n3＜1.72，1.68＜n4＜1.70，其中，n1、n2、n3、n4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的折射率。
19.进一步地，该镜头的像方焦距f’＝9.05mm。
20.采用上述技术方案后，本实用新型具有如下优点：本实用新型提供的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，工作时物方数值孔径大；经第四透镜后的平行光束准直性好、光斑模式好、光斑能量分布均匀。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例的镜头结构示意图。
具体实施方式
22.本实用新型提供一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，与半导体光纤激光器配合使用，将半导体激光器和光纤出射的发散光束依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜折射后准直为平行光束。本实用新型提供一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其位置布局从光纤出射端到像面依次为：光纤出射端面、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜。光线通过第四透镜后成为平行光束。其中光纤出射端面也称为物面，光纤的数值孔径即物方数值孔径为0.22。
23.下面结合实施例及附图均是进一步详细描述本实用新型。本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。具体实施例仅用于解释本技术，并不限制本技术。
24.本实用新型实施例提供了一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，请参见图1，其示出了本实用新型实施提供的一种光学镜头的结构，所述光学镜头包括从物面5依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。
25.在本实施例中，所述第一透镜1为双凹玻璃球面镜片，具有负光焦度；所述第二透镜2为双凸玻璃球面镜片，具有正光焦度，且满足：-8＜f1’＜-7，5＜f2’＜6，其中n1、n2分别为第一透镜1、第二透镜2的折射率。第一透镜1与第二透镜2分别具有正、负光焦度和不同的
折射率。
26.所述第三透镜3为负弯月型且凹面朝向像面的玻璃球面镜片；所述第四透镜4为双凸玻璃球面镜片，具有正光焦度，且满足：-20＜f3’＜-19，15＜f4’＜16，其中n3、n4分别为第三透镜3、第四透镜4的折射率。第三透镜3、第四透镜4通过分别具有正、负光焦度和不同的折射率。
27.所述第一透镜1、第二透镜2，与所述第三透镜3、第四透镜4，通过不同的折射率和光焦度，从而校正球差。
28.所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，在使用时，半导体光纤激光器的光纤出射面放置在距离第一透镜1物侧面的前方6.2-6.3mm的位置处，该位置对整个光学镜头即为物面5所在位置，其物方孔径角可达0.22。
29.所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，在使用时，经光纤出射的光线依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜后，成为直径为3.9-4mm的平行光束，该平行光束的传输距离不小于3000mm。在表1所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头的基本参数中，距第四透镜4的像侧面后面180mm处的光斑直径为1.95mm；第四透镜4的像侧面后面3194.19mm处，光斑直径为1.95mm，两个位置的光斑大小一致，说明该镜头的准直效果好。
30.表1为本实施例的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头的基本参数：
31.表1
32.表面曲率半径厚度折射率半孔径物面infinity6.25
ꢀꢀ
第一透镜-49.920.941.74001.40 6.410.50 1.57第二透镜9.702.271.67691.81
ꢀ‑
5.153.09 2.11第三透镜13.440.921.68892.17 6.460.04 2.10第四透镜7.012.711.67692.11 18.42180.00 2.00 infinity3014.19 1.95像面infinity0 1.95

技术特征：
1.一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，从物面到频谱面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜为双凹玻璃球面镜片；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜为双凸玻璃球面镜片；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为负弯月型且凹面朝向像面的玻璃球面镜片；具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凸玻璃球面镜片。2.根据权利要求1所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，物面位于第一透镜物侧面的前方6.2-6.3mm处，物方数值孔径为0.22。3.根据权利要求1或2所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜后，成为直径为3.9-4mm的平行光束，该平行光束在空间传播距离不小于3000mm。4.根据权利要求1所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，满足下列条件式：-8＜f1’＜-7，5＜f2’＜6，-20＜f3’＜-19，15＜f4’＜16，其中，f1’、f2’、f3’、f4’分别为所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的像方焦距。5.根据权利要求1所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，1.72＜n1＜1.79，1.68＜n2＜1.70，1.68＜n3＜1.72，1.68＜n4＜1.70，其中，n1、n2、n3、n4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的折射率。6.根据权利要求1所述的一种测量颗粒浓度的激光发射镜头，其特征在于，该镜头的像方焦距f’＝9.05mm。

技术总结
本发明提供一种测量颗粒浓度的的激光发射镜头，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第三透镜为负弯月透镜，第四透镜为双凸透镜。本发明中的测量颗粒浓度的的激光发射镜头，由半导体激光器发出激光，从光纤输出后依次由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜折射，成为平行光，该平行光在空间传播距离不小于3000mm。所述镜头经过第四透镜后的光斑准直性好、平行光覆盖空间范围大、光能分布均匀，适用于固体颗粒浓度或空间覆盖范围大的液态颗粒浓度测量。或空间覆盖范围大的液态颗粒浓度测量。或空间覆盖范围大的液态颗粒浓度测量。


技术研发人员：魏永杰 王浩然 张树日
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/8/5