CN105651312B - 一种抑制背景光干扰的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制背景光干扰的装置，包括光源以及由接收透镜、遮光器和光电转换器组成的接收光路，光源发出的激光束照射到被测物和背景物上，被测物产生的信号光和背景物产生的干扰光依次经过接收透镜的汇聚和遮光器的遮挡，最后被光电转换器接收；遮光器设置于干扰光经过接收透镜后形成的背景物物像中心处，遮光器遮挡区的尺寸与背景物物像的尺寸一致，遮光器遮挡区的尺寸小于被测物物像的尺寸；光电转换器位于信号光经过接收透镜后形成的被测物物像处。本发明装置在接收光路中设有遮光器，采用遮光器对背景光干扰部分进行吸收，最大程度地抑制了背景光对信号光的干扰，提高了接收光的信号与干扰比，提高了仪器的测量精确度。

Description

一种抑制背景光干扰的装置
技术领域
本发明涉及一种抑制背景光干扰的装置，属于光学仪器技术领域。
背景技术
在基于光学法的测试仪器中，其基本原理是光照射被测物体，通过对被测物体散射光进行检测、分析计算得到测量结果。但实际环境中的被测物体附近总会存在一些背景物体，这些背景物体对光的反射、散射同样会进入到光检测器(光电转换器)中，从而干扰对被测物体的测量。被测物体散射光信号往往被淹没在强背景反射、散射光的干扰中，要从这样强的干扰背景下完成测量变得非常困难，因此抑制强背景光干扰，提高接收光信号的信号与干扰比SIR(Signal to Interference Ratio)，成为必须解决的关键技术。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种抑制背景光干扰的装置，通过在接收光路中增加遮光器，从而抑制了背景光的干扰，提高了接收光信号中的信号与干扰比，实现了仪器的精准测量。
发明内容：为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案为：
一种抑制背景光干扰的装置，包括光源以及由接收透镜、遮光器和光电转换器组成的接收光路，所述光源发出的激光束照射到被测物和背景物上，被测物产生的信号光和背景物产生的干扰光依次经过接收透镜的汇聚和遮光器的遮挡，最后被光电转换器接收；
所述遮光器设置于干扰光经过接收透镜后形成的背景物物像处，所述遮光器遮挡区的尺寸与所述背景物物像的尺寸一致，所述遮光器遮挡区的尺寸小于所述被测物物像的尺寸；
所述光电转换器位于信号光经过接收透镜后形成的被测物物像处。
一种采用上述抑制背景光干扰装置来抑制背景光干扰的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据不同的应用场景确定相应的背景物；
步骤2，根据被测物确定接收透镜的位置以及其所需的焦距，计算出光电转换器的位置和所需感应面的最小尺寸；
步骤3，测量出背景物与接收透镜的距离，根据背景物与接收透镜的距离得到背景物的成像位置和尺寸，将所需尺寸的遮光器设置在背景物成像的位置上；
步骤4，设置光源的位置以及激光束的方向即可。
其中，所述激光束的方向与接收光路方向的夹角为光源与被测物连线与接收光路所形成的夹角。
本发明装置的原理是：在不同的应用场景中，由于被测物与接收透镜的距离是已知的，通过选择所需焦距的接收透镜，进而确定了光电转换器的位置与所需感应面的最小尺寸；然后根据背景物与接收透镜的距离，计算出背景物成像的位置和尺寸，在背景物成像的位置设置一个完全由遮光材料制成的遮光器(如金属板)，该遮光器的尺寸根据背景物的尺寸来确定。
遮光器位置通过下述方式计算得到：遮光器与接收透镜之间距离的倒数，加上背景物与接收透镜之间距离的倒数，等于接收透镜焦距的倒数。
有益效果：本发明的抑制背景光干扰装置，其在接收光路中设有遮光器，采用遮光器对背景光干扰部分进行吸收，最大程度地抑制了背景光对信号光的干扰，提高了接收光的信号与干扰比，提高了仪器的测量精确度。
附图说明
图1为本发明抑制背景光干扰装置在实施例应用场景的结构示意图；
图2为本发明抑制背景光干扰装置的原理图；
图3为装置中无遮光器时，采用ZEMAX软件仿真的背景光干扰强度；
图4为装置中无遮光器时，采用ZEMAX软件仿真的信号光强度；
图5为装置中有遮光器时，采用ZEMAX软件仿真的背景光干扰被抑制后的强度；
图6为装置中有遮光器时，采用ZEMAX软件仿真的信号光强度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明抑制背景光干扰的装置，包括光源101以及由接收透镜107(接收透镜107为凸透镜)、遮光器110和光电转换器113组成的接收光路，将本发明装置应用于固定污染源烟道中低浓度烟尘的测量，在这个应用场景中，被测物为烟尘103，背景物为烟道壁104，光源101发出激光束102照射到烟道内部，烟尘103的散射光为信号光106，烟道壁104的漫反射光为背景干扰光105，信号光106和干扰光105穿过接收透镜107，接收透镜107对信号光106(散射光)和干扰光105(漫反射光)有汇聚作用，信号光106(散射光)汇聚为能量为S的散射光I108，干扰光105(漫反射光)汇聚为能量为I的漫反射光I109；散射光I108和漫反射光I109来到遮光器110处，遮光器110阻挡散射光I108，阻挡后剩余部分为散射光II111，其光强为So，遮光器110阻挡漫反射光I109，阻挡后剩余部分为漫反射光II112，其光强为Io；光电转换器113接收漫反射光II112和散射光II111，转换为电信号，其输出的信号与干扰比SIR＝So/Io。
如图2所示，本发明装置应用于固定污染源烟道中低浓度烟尘的测量，被测物烟尘103，背景物烟道壁104，烟尘103和烟道壁104在接收光路的物高为A；被测烟尘103在接收透镜107的右侧成像为烟尘像202，其像高为B，该部分为被测物的散射信号光；烟道壁104在接收透镜107的右侧成像为烟道壁像201，其像高为C，该部分为背景干扰光；光电转换器113放置在被测物物像(烟尘像)202处(其接收到的光信号中去除了背景物物像201的背景干扰光成分)，其感光区尺寸为B；遮光器110放置在背景物物像(烟道壁像)201处，其遮挡区尺寸为C，它吸收背景物物像201的能量，从而起到抑制背景光干扰的作用；
其中，物高A＝20mm；光电转换器113的感光区面积为B*B＝4*4mm2，遮光器110的直径C＝1.4mm，烟尘像202像高B为4mm，烟道壁像201像高C为1.4mm；接收透镜107的直径为30mm，焦距f＝100mm，接收透镜107与遮光器110的距离V1＝103mm(遮光器110位于距离接收透镜107焦点处3mm的位置)，接收透镜107与光电转换器113的距离VS＝120mm，接收透镜107与烟道壁104的距离UI＝3500mm，接收透镜107与烟尘103的距离US＝600mm。
如图3～6所示，烟尘103，假设在光束102的照射下产生的散射光在散射建模为各向均匀发光体，其发光强度归一化为1；烟道壁104，假设在光束102的照射下产生的漫反射建模为各向均匀发光体，其发光强度归一化为1；采用ZEMAX光学软件建模，并进行接收光强的仿真分析，结果如下：
假设本发明抑制背景光干扰装置中没有设置遮光器110，也没有被测烟尘103，只有烟道壁104产生漫反射条件下，光电转换器113输出的烟道壁像201的干扰强度I＝0.91373，仿真结果图3所示；
假设本发明抑制背景光干扰装置中没有设置遮光器110，也没有烟道壁104产生漫反射，只有被测烟尘103产生散射信号光条件下，光电转换器113输出的烟尘像202信号强度S＝0.58429，仿真结果图4所示；
因此本发明抑制背景光干扰装置中在没有设置遮光器110的条件下，其光电转换器113输出的信号与干扰比SIR为S/I＝0.63945。
本发明抑制背景光干扰装置中存在遮光器110，没有被测烟尘103，只有烟道壁104产生漫反射条件下，光电转换器113输出的烟道壁像201的干扰强度Io＝9.6725×10-7，仿真结果图5所示；
本发明抑制背景光干扰装置中存在遮光器110，但没有烟道壁104产生漫反射，只有被测烟尘103产生的散射信号光条件下，光电转换器113输出的烟尘像202信号强度So＝0.53542，仿真结果图6所示；
因此本发明抑制背景光干扰装置中设置遮光器110的条件下，光电转换器113输出的SIR为So/Io＝5.535×105。
通过上述对比可知，装置中设置了遮光器110和没有设置遮光器110，光电转换器113输出的SIR提高了(So/Io)/(S/I)＝8.656×106倍，光电转换器113接收到的信号强度减小了(S-So)/S＝8.36％.。
本发明抑制背景光干扰装置，通过在烟道壁像201处设置遮光器110，使背景光对信号光的干扰得到大大抑制，其光电转换器113输出的信号与干扰比SIR提高了8.656×106倍；同时遮光器110会导致被测物像202部分光信号被阻挡，信号减小了8.36％。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的保护范围并不局限与这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种抑制背景光干扰的装置，其特征在于：包括光源以及由接收透镜、遮光器和光电转换器组成的接收光路，所述光源发出的激光束照射到被测物和背景物上，被测物产生的信号光和背景物产生的干扰光依次经过接收透镜的汇聚和遮光器的遮挡，最后被光电转换器接收；
所述遮光器设置于干扰光经过接收透镜后形成的背景物物像处，所述遮光器遮挡区的尺寸与所述背景物物像的尺寸一致，所述遮光器遮挡区的尺寸小于所述被测物物像的尺寸；
所述光电转换器位于信号光经过接收透镜后形成的被测物物像处。
2.一种采用权利要求1所述抑制背景光干扰的装置抑制背景光干扰的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，根据不同的应用场景确定相应的背景物；
步骤2，根据被测物确定接收透镜的位置以及其所需的焦距，计算出光电转换器的位置和所需感应面的最小尺寸；
步骤3，测量出背景物与接收透镜的距离，根据背景物与接收透镜的距离得到背景物的成像位置和尺寸，将所需尺寸的遮光器设置在背景物成像的位置上；
步骤4，设置光源的位置以及激光束的方向即可。
3.根据权利要求1所述的抑制背景光干扰的装置，其特征在于：所述激光束的方向与接收光路方向的夹角为光源与被测物连线与接收光路所形成的夹角。
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