基于ZEMAX二氧化硫熒光采集光路的仿真設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)二氧化硫分析儀精確連續(xù)地檢測(cè)空氣中低含量SO2，針對(duì)傳統(tǒng)二氧化硫檢測(cè)儀在熒光匯聚時(shí)存在光線匯聚效果弱、像差大且由于透鏡的焦距長(zhǎng)增大了熒光采集光路長(zhǎng)度等問(wèn)題，在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上對(duì)熒光采集光路重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。采用分解光焦度的方法改善系統(tǒng)的球差問(wèn)題，進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)后對(duì)其進(jìn)行ZEMAX仿真并運(yùn)用正交法對(duì)新光路進(jìn)行修正。通過(guò)仿真兩種光路的非序列結(jié)構(gòu)陰影模型圖、探測(cè)查看器的光照?qǐng)D以及點(diǎn)列圖，取得了光強(qiáng)以及光斑直徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的光路系統(tǒng)峰輻強(qiáng)度達(dá)到了219.4W/cm2，彌散斑直徑減少了17%。該方案能夠有效解決傳統(tǒng)光路中的不足之處，成像質(zhì)量效果更佳。

引言

迄今為止，空氣中二氧化硫的污染相對(duì)較為嚴(yán)重。人們?cè)陉P(guān)注經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也開始注重環(huán)境的保護(hù)。為了更加準(zhǔn)確地了解到我國(guó)現(xiàn)在環(huán)境的污染狀況，研制出能夠?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)的二氧化硫儀器勢(shì)在必行。二氧化硫檢測(cè)儀的原理是紫外熒光法，這是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012中所規(guī)定的檢測(cè)方法。紫外熒光法可以突破傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)方法的種種缺陷，能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)二氧化硫。其原理是：SO2氣體被波長(zhǎng)范圍為220nm附近的紫外光照射時(shí)，SO2分子就從基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的SO2是不穩(wěn)定的，在其轉(zhuǎn)化為基態(tài)的時(shí)候產(chǎn)生熒光，對(duì)其產(chǎn)生的熒光進(jìn)行收集利用就可以得出空氣中二氧化硫的含量。熒光強(qiáng)度和光電倍增管輸出的電信號(hào)除去一些干擾以后是呈線性關(guān)系的。

所以，對(duì)光電倍增管輸出的電信號(hào)進(jìn)行一系列的放大、濾波等處理后，就可以得出二氧化硫的具體含量。紫外熒光法與傳統(tǒng)方法相比存在許多優(yōu)勢(shì)，不僅能夠在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且可以降低誤差，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。利用熒光光譜法對(duì)SO2含量進(jìn)行檢測(cè)的中，最小的檢測(cè)范圍已經(jīng)達(dá)到了10-9數(shù)量級(jí)。

目前研發(fā)的二氧化硫檢測(cè)儀器采用的熒光采集光路是利用雙凸透鏡對(duì)熒光點(diǎn)光源進(jìn)行了匯聚。該系統(tǒng)存在很多不足，不僅光線的匯聚效果不理想、存在較大像差，而且由于透鏡的焦距長(zhǎng)導(dǎo)致增大了熒光采集光路的長(zhǎng)度?；谏鲜龉饴返姆N種缺陷，本文中提出了一種新型對(duì)稱式平凸結(jié)構(gòu)，可以有效解決上述光路存在的問(wèn)題，并通過(guò)ZEMAX仿真驗(yàn)證了對(duì)稱式平凸結(jié)構(gòu)的合理性。

1 理論依據(jù)

在實(shí)際運(yùn)用中幾乎不可能達(dá)到完美的成像質(zhì)量。由球差效果圖可知，光線并不在光軸上聚于同一個(gè)焦點(diǎn)，而在鏡頭邊緣入射的光線與光軸的交點(diǎn)要比接近光軸入射的光線與光軸的交點(diǎn)離鏡頭的距離近，如圖1所示。這是很常見的像差之一，稱之為球差。球差的大小取決于光線在入瞳上的高度。消除球差可以采用非球面，非球面雖然不能完全消除像差，但可以使像差達(dá)到最小。減小球差的另外一個(gè)方法是將光焦度進(jìn)行分解。

1.1 非球面消球差

在光學(xué)系統(tǒng)中，想要將球差減小到最小，首先應(yīng)該明白球差產(chǎn)生的原因是什么。從理論上來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)系統(tǒng)中不存在球差，那么系統(tǒng)中任意光線的光程是永遠(yuǎn)相等的。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，從NSC陰影模型圖中光線的匯聚、探測(cè)器探測(cè)視圖以及點(diǎn)列圖中彌散斑半徑大小均可得到對(duì)稱式平凸透鏡的成像質(zhì)量要優(yōu)于一個(gè)雙凸透鏡的結(jié)果。

3 結(jié)論

運(yùn)用光學(xué)仿真軟件ZEMAX，在目前監(jiān)測(cè)儀器的熒光采集光路基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比探測(cè)視圖和點(diǎn)列圖后發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的峰輻強(qiáng)度是之前的3倍，總功率達(dá)到了0.35410W，有效半徑和均方根半徑都大幅度減小，達(dá)到了優(yōu)化的目的。在與光源距離相同的條件下，對(duì)稱式平凸透鏡相較于雙凸透鏡不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、光能損失較小而且成像質(zhì)量相對(duì)較好。因此，對(duì)稱式平凸透鏡結(jié)構(gòu)能夠很好地應(yīng)用于熒光的檢測(cè)。

審核編輯：湯梓紅