CN109031658B - 一种薄型激光透射探测窗口 - Google Patents

Abstract

本发明专利介绍一种薄型激光透射探测窗口，包含窗口片，成像镜组，感光元件。其在工作时，当有激光束穿过窗口片上的激光透射探测区域，激光束照亮窗口片中的散射结构，产生与待测激光束同波长的散射光，散射光向窗口片边缘传输并传出窗口片，被成像镜组收集而在感光元件上形成散射区域的像，感光元件在感光后输出可读的电信号，表明激光透射的存在。不同方位、角度的激光只需穿过窗口片上的激光透射探测区域就可以被探测到。感光元件可以通过散射光的强度来区分激光与自然光，或者通过阵列式感光元件，通过散射像的大小来区分激光与自然光。

Description

一种薄型激光透射探测窗口

技术领域

本发明涉及一种激光探测装置，尤其涉及一种薄型激光透射探测窗口。

背景技术

激光探测器在安保、人体防护、动作检测、自动化生产等领域具有广泛应用。目前常见的激光探测器有光电二极管、雪崩二极管、光电池、光敏电阻、CCD相机、CMOS相机等，其材质通常为半导体，例如硅、砷化镓、铟镓砷等材料。不同的材料具有不同的带隙，能够吸收不同能量的光子。探测器器件在吸收光子之后发生变化，例如p-n结载流子的增多，通过探测器器件的电流或者器件两级之间的电压发生变化，成为探测信号。实际的探测器可以探测紫外光、可见光、近红外光等不同波长的光，在时间领域，可以实现从皮秒级的快速响应到对连续光的持续响应。

在实际应用中，上述的激光探测器均为截止型，激光束不能穿透它们。待测光在器件内部被吸收，或者被反射。而在一些应用场合，例如激光照准、主动激光防护等，希望在获得激光束信息之后允许激光束继续传输，这时就需要透明型的探测器。对于固定传输路径的激光束，可以用分束镜与传统探测器的组合来达到这一目的，即分束镜将激光束分束，一部分透过分束镜继续传输，另一部分被反射到探测器上，达到采样探测的目的。然而，对于路径不确定的激光束，这种方法的可靠性开始下降，而且往往探测装置的体积过大、厚度过厚，不便于应用。一些努力是将半导体探测元件本身做成很薄的薄膜式，使得部分待测光能透过它们，然而这样做常常会因为厚度的要求而牺牲掉元件的其他性能。因此开发一种能让激光束透射而且不限制激光束方位、角度的激光探测器件成为业界的迫切需求。

发明内容

本发明提供一种薄型激光透射探测窗口，利用特制的窗口片的散射效应来提取激光透射信息，稳定可靠，可探测不确定方位、方向的激光束，可在一定程度上区分激光与强自然光，可应用于多种波长，绝大部分激光能量可以成功传输过窗口。

本发明所述的一种薄型激光透射探测窗口，包含窗口片，成像镜组，感光元件；其特征是:窗口片为透明平板形，以其上的部分或全部区域作为激光透射探测区域,激光透射探测区域的前后表面为抛光平面，激光穿过激光透射探测区域时于窗口片内部激光透射处产生散射光；

以窗口片侧边的一段或二段以上为探测边，探测边进行抛光，于探测边处设有成像镜组；

成像镜组面向探测边放置于窗口片侧面；或于探测边向窗口片内部的方向镂空有一个以上的缝隙,探测边与靠近探测边的缝隙之间、或探测边与靠近探测边的缝隙之间及相邻缝隙之间形成成像镜片,成像镜片二面抛光,一个或二个以上的成像镜片构成成像镜组；

成像镜组对窗口片中发出散射光的区域进行共轭成像，其成像时的物点集合区域应覆盖激光透射探测区域，激光透射探测区域中的物点其共轭成像为散射像，而感光元件置于成像镜组成像时的散射像像点集合区域处。

所述的探测窗口，其特征是：当成像镜组面向探测边放置于窗口片侧面时，激光透射探测区域内的任一一点与探测边上任一一点的连线与探测边上该点的法线夹角大小为0～arcsin(n’/n),其中n为激光透射探测区域的材料折射率，而n’为窗口片所处环境的折射率。

所述的探测窗口，其特征是：

在散射像形成的区域放置线阵型或面阵型感光元件，其具有感光面，其感光面与散射像像点集合区域相交，且当成像镜组对窗口片中发出散射光的区域进行共轭成像时其感光面接受共轭成像光线的照射，其感光面接受光照时能输出相应信号，因而能探测到散射像的存在；散射像的存在可表明有激光透射窗口片，故此薄型激光透射探测窗口能起到探测是否有激光透射窗口片的作用。

所述的探测窗口，其特征是：

窗口片为有机玻璃、BK7玻璃、熔融石英中的一种；

成像镜组为有机玻璃、BK7玻璃、熔融石英中的一种；

感光元件为光电二极管阵列、图像传感器(Charge-coupled device)、图像传感器(Complementary metal oxide semiconductor)中的一种。

所述的探测窗口，其特征是：

以窗口片侧边的二段以上为探测边，于每个探测边处均设有成像镜组。

在实际使用该发明时，所述的窗口片在激光穿过时产生的散射光，可来源于窗口片的丁达尔效应(Tyndall Effect)、片内掺杂粒子的米氏散射(Mie Scattering)或者片内掺杂金属粒子的表面等离子体基元散射(Plasmonic Polariton Scattering)。

所述的一种薄型激光透射探测窗口，其在工作时，当有激光束穿过窗口片上的激光透射探测区域，激光束照亮窗口片中的光散射结构，如掺杂的粒子，或引发窗口片材质的丁达尔效应，产生与待测激光束同波长的散射光，散射光自窗口片被激光穿过的区域发出，随后散射光在窗口片内部向窗口片边沿方向传输，到达窗口片侧边，即连接窗口片两个窗面的环围面，选定窗口片侧边的一段或多段为探测边，进行抛光，则散射光从窗口片的探测边传出窗口片，为避免全内反射发生而致使散射光不能传出窗口片，需满足激光透射探测区域内的任一一点与探测边上任一一点的连线与探测边上该点的法线夹角0～arcsin(n’/n),其中n为激光透射探测区域的材料折射率，而这里的n’为窗口片外部介质，如空气或真空的折射率；成像镜组放置于窗口片侧面，通过收集从窗口片侧面探测边传出的散射光，实现对窗口片中发出散射光的区域进行共轭成像，其成像时的允许物面的集合可覆盖待探测激光穿过窗口片的区域，其共轭成像为散射像；或成像镜组直接在窗口镂空抛光构成；对于整个窗口片上的激光透射探测区域，其经由成像镜组成的像也为一区域，即像区，感光元件的感光面放置时与像区相交，且感光面与所有可能的成像光线相交，则可感受到所有的可能的成像光线，像区的成像光线最为密集，则感光元件的感光面放置时与像区相交为探测灵敏度为最佳的必要条件。感光元件在感光后输出可读的电信号，表明激光透射的存在。不同方位、角度的激光只需穿过窗口片的激光透射探测区域就可以被探测到。感光元件可以通过散射光的强度来区分激光与自然光，或者通过散射像的大小来区分激光与自然光。

附图说明

图1：本发明实施例一的薄型激光透射探测窗口图。

1：窗口片，2：成像镜组，3：感光元件。

图2：本发明实施例二的薄型激光透射探测窗口图。

1：窗口片，2：成像镜组，3：感光元件。

图3：本发明实施例三的薄型激光透射探测窗口图。

1：窗口片，2-1：成像镜组一，2-2：成像镜组二，3-1：感光元件一，3-2：感光元件二。

图4：本发明实施例四的薄型激光透射探测窗口图。

1-1：窗口片一，1-2：窗口片二。

图5：本发明实施例五的薄型激光透射探测窗口图。

1：窗口片。

图6：本发明实施例六的薄型激光透射探测窗口图。

1：窗口片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然的，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：一种薄型激光透射探测窗口

实施例一为感应可见激光束而设计，如附图一所示。实施例一中的窗口片(1)由有机玻璃(PMMA)片制成薄立方体片，其前后表面为正方形，并将其前后两个面和右侧侧边打磨抛光。成像镜组(2)为鱼眼镜头，感光元件(3)为硅雪崩光电二极管阵列。

窗口片(1)上的点划线圆圈示意激光透射探测区域，当有一束可见激光通过窗口片(1)的激光透射探测区域，因为有机玻璃的丁达尔效应(Tyndall Effect)，其被激光照亮的区域会散射激光，形成一个亮区，图中用一个多角星形示意，指定窗口片(1)右侧侧边为探测边，此亮区对应的散射光可在窗口片(1)内部传播，并自探测边传出，图中给出了两条散射光传播的示意光线，示意光线自散射亮区发出，自探测边传出后到达成像镜组(2)，成像镜组(2)将亮区成像，图中用两条光线经过成像镜组(2)后汇聚于感光元件(3)上表示，由于鱼眼镜头的特点，亮区的水平位置变化时，均可比较清晰地成像，成像位置变化较小；而竖直位置变化时，也可比较清晰地成像，但像的位置明显不同，这样的位置不同可以被感光元件(3)感应，因为感光元件(3)是由许多雪崩光电二极管组成的，不同的成像位置会使得不同的雪崩光电二极管发生感应，从而给出激光束位置信息。若激光束倾斜穿过窗口片，也能感应，只是亮区稍大一些，成像稍大一些。

当有较强的非方向性光源照射窗口，例如太阳光，则整个窗口均可发生丁达尔效应，均产生散射光，成像后整个感光元件(3)均被照亮，但亮度通常远低于激光。借此可区分太阳光和激光。

通过调整窗口片(1)的有机玻璃材质的制造工艺，可以改变丁达尔效应的强弱，强的丁达尔效应有利于增加激光探测灵敏度，而弱的丁达尔效应对于透射激光束性质的改变更小。

若在感光元件表面添加滤光薄膜、滤光镜等波长选择元件，还可以实现只对特定波长的激光进行探测。

实施例二：一种薄型激光透射探测窗口

实施例二如附图二所示。其原理与实施例一相同，但做出一重要改进，将窗口片(1)水平方向的尺寸延长一些，然后在窗口片(1)上右侧的延长部分直接镂空雕刻出成像镜组(2)，此时成像镜组(2)为二维柱面镜组，功能同鱼眼镜头，其成像照样可以提供入射激光的垂直方位信息，被感光元件(3)感应。实施例二整个器件相对于实施例一可以做到更薄，方便应用。整个器件包括窗口片(1)、成像镜组(2)和感光元件(3)可以集成为一个整体，若采用厚度薄的窗口片(1)和小尺寸的感光元件(3)，则整个器件可以趋向于二维平板式。

实施例三：一种薄型激光透射探测窗口

实施例三如附图三所示。其原理与实施例一相同，但做出一重要改进，采用二维激光方位探测，此时将窗口片(1)的前后面、上侧面、右侧面均打磨抛光使之透光。成像镜组一(2-1)和感光元件一(3-1)提供穿过窗口片的激光的垂直方位信息，而成像镜组二(2-2)和感光元件二(3-2)提供穿过窗口片的激光的水平方位信息。

实施例四：一种薄型激光透射探测窗口

实施例四如附图四所示。原理与实施例三相同，但做出一重要改进，将两个等同实施例三的一种薄型激光透射探测窗口进行前后联用，虚线箭头表示透射待探测激光束，经过两次探测后得到两个方位信息，从而可以依据两点确定一条直线的原理推测出激光的传输方向。

实施例五：一种薄型激光透射探测窗口

实施例五如附图五所示，其原理与实施例一有一不同，即窗口片(1)为均匀掺杂少量可见光波长尺度的钛白粉(二氧化钛)微粒，附图五中的气泡示意了窗口片(1)的材质中含有的微粒。当待测激光穿透窗口片(1)时微粒引发米氏散射(Mie Scattering)，从而获得可用的散射光，通过改变掺杂钛白粉微粒的粒径、浓度，可以改变米氏散射的强度，强的米氏散射有利于增加透射激光探测的灵敏度，而弱的米氏散射对透射激光束的性质改变更小。其余原理，即成像、光感应的原理与实施例一相同。

实施例六：一种薄型激光透射探测窗口

实施例六如附图六所示，其原理与实施例一有一不同，即窗口片(1)中含有非对称金属纳米阵列(图中黑色箭头阵列所示)，当待测激光(图中实线空心箭头所示)穿透窗口片(1)时照亮非对称金属纳米阵列，由于表面等离子体基元(Plasmonic Polariton)原理，诱发其中金属中自由电子密度分布的电偶极式振荡，产生散射光发射。例如采用Yagi-Uda型金属纳米光天线排成阵列，其产生的散射光偏向一个方向(图中虚线空心箭头所示)，而不是实施例一中的无方向选择性，在散射光的主要方向上安装成像镜组(2)和感光元件(3)，则对散射光的收集效率相对于实施例一更高，可望在对通过窗口片(1)待测激光束性质影响相当的情况下，获得相对于实施例一更高的探测灵敏度。而且非对称金属纳米阵列参数调整可以实现丰富的功能，例如选择对特定激光波长共振的非对称金属纳米阵列，可以仅仅探测特定波长的激光；又例如改变非对称金属纳米阵列的密度，增大密度有利于增强散射，增加透射激光探测的灵敏度，而减小密度散射减弱，对透射激光束的性质改变更小。

以上所述仅为本发明的一部分实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，在不付出创造性劳动即可得到的变化或替换也应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种薄型激光透射探测窗口，包含窗口片，成像镜组，感光元件；其特征是:窗口片为透明平板形，以其上的部分或全部区域作为激光透射探测区域, 激光透射探测区域的前后表面为抛光平面，激光穿过激光透射探测区域时于窗口片内部激光透射处产生散射光；

以窗口片侧边的一段或二段以上为探测边，探测边进行抛光，于探测边处设有成像镜组；

成像镜组面向探测边放置于窗口片侧面；或于探测边向窗口片内部的方向镂空有一个以上的缝隙, 探测边与靠近探测边的缝隙之间、或探测边与靠近探测边的缝隙之间及相邻缝隙之间形成成像镜片, 成像镜片二面抛光,一个或二个以上的成像镜片构成成像镜组;

成像镜组对窗口片中发出散射光的区域进行共轭成像，其成像时的物点集合区域应覆盖激光透射探测区域，激光透射探测区域中的物点其共轭成像为散射像，而感光元件置于成像镜组成像时的散射像像点集合区域处；

窗口片中含有非对称金属纳米阵列，当待测激光穿透窗口片时照亮非对称金属纳米阵列，产生散射光发射。

2.按照权利要求1所述的探测窗口，其特征是：当成像镜组面向探测边放置于窗口片侧面时，激光透射探测区域内的任一一点与探测边上任一一点的连线与探测边上该点的法线夹角大小为0~arcsin(n’/n),其中n为激光透射探测区域的材料折射率，而n’为窗口片所处环境的折射率。

3.按照权利要求1所述的探测窗口，其特征是：

在散射像形成的区域放置线阵型或面阵型感光元件，其具有感光面，其感光面与散射像像点集合区域相交，且当成像镜组对窗口片中发出散射光的区域进行共轭成像时其感光面接受共轭成像光线的照射，其感光面接受光照时能输出相应信号，因而能探测到散射像的存在；散射像的存在可表明有激光透射窗口片，故此薄型激光透射探测窗口能起到探测是否有激光透射窗口片的作用。

4.按照权利要求1所述的探测窗口，其特征是：

窗口片为有机玻璃、BK7玻璃、熔融石英中的一种；

成像镜组为有机玻璃、BK7玻璃、熔融石英中的一种；

感光元件为光电二极管阵列、图像传感器CCD、图像传感器CMOS中的一种。

5.按照权利要求1-4任一所述的探测窗口，其特征是：

以窗口片侧边的二段以上为探测边，于每个探测边处均设有成像镜组。

Images