姜勇

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

近幾年來(lái)，環(huán)境保護(hù)及污染治理問(wèn)題在現(xiàn)階段國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中備受關(guān)注，國(guó)家相關(guān)部門也出臺(tái)了相應(yīng)的大氣污染防治方面的政策[1-2]。必須重視大氣環(huán)境的保護(hù)，真正營(yíng)造一個(gè)人與自然和諧發(fā)展的狀態(tài)。

污染物按照存在的形態(tài)可以分為氣態(tài)污染物和顆粒污染物[3]。氣態(tài)污染物是指在常溫常壓下包括： 一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氨氣等物質(zhì)，而顆粒污染物是指粉塵、飛灰、黑煙等。在工業(yè)生產(chǎn)中，顆粒污染物的代表如工業(yè)煙氣粉塵，若煙氣粉塵濃度超過(guò)一定極限會(huì)引起爆炸，對(duì)人們的生活造成嚴(yán)重的影響和后果。所以，工業(yè)煙氣粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得日益重要。根據(jù)米氏散射定律，當(dāng)一束激光照射到粉塵顆粒時(shí)，由于激光波長(zhǎng)與粉塵直徑比較接近，會(huì)發(fā)生米氏散射，導(dǎo)致光電接收二極管接收的光強(qiáng)發(fā)生改變，而光的強(qiáng)度變化與粉塵濃度有關(guān)，通過(guò)特定公式，可以計(jì)算出粉塵濃度。

粉塵儀主要用于測(cè)量粉塵濃度，其關(guān)鍵部件激光二極管準(zhǔn)直器對(duì)于儀器的精確測(cè)量起到非常重要的作用。

1 米氏散射定律

當(dāng)入射光束經(jīng)過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)，沿光束側(cè)能夠觀察到光，該現(xiàn)象是光的散射現(xiàn)象[4]。當(dāng)粒子尺寸接近或大于入射光波長(zhǎng)時(shí)就產(chǎn)生米氏散射[5]。米氏散射具有以下特點(diǎn)： 散射光強(qiáng)度隨角度分布復(fù)雜，粒子相對(duì)于波長(zhǎng)的尺寸越大，光強(qiáng)分布越復(fù)雜；當(dāng)粒子尺寸加大時(shí)，前向散射的波瓣增大。

米氏散射的散射強(qiáng)度與粉塵的濃度呈一定的比例關(guān)系。經(jīng)過(guò)特定的公式，可以通過(guò)米氏散射的散射強(qiáng)度來(lái)計(jì)算待測(cè)區(qū)域粉塵的濃度。為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)量待測(cè)區(qū)域粉塵的濃度，一束穩(wěn)定且準(zhǔn)直的入射光線顯得非常重要。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一束平行光通過(guò)一球面透鏡能夠在焦點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)會(huì)聚，根據(jù)光可逆原理可知，處于焦點(diǎn)位置的光源通過(guò)一球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)平行光出射。由于遠(yuǎn)軸光線入射角大，折射強(qiáng)，會(huì)在光軸離鏡頭近處形成焦點(diǎn)；而近軸光線入射角小，折射弱，會(huì)在光軸離鏡頭遠(yuǎn)處形成焦點(diǎn)。這樣，平行光在光軸上形成的焦點(diǎn)會(huì)前后分散，形成一定直徑的模糊像，即球差。球差可以通過(guò)非球面透鏡進(jìn)行消除，也可以通過(guò)改變球透鏡邊緣的曲率半徑，盡可能地降低球差帶來(lái)的影響。

在光學(xué)設(shè)計(jì)中，一般將光線由物方開始傳播的方向設(shè)定為正方向，即光軸為z軸。坐標(biāo)系采用右手法則。子午面是由軸外物點(diǎn)和光軸所確定的平面，子午面內(nèi)的光束叫子午光束。過(guò)主光線且與子午平面垂直的平面稱為弧矢平面，弧矢平面內(nèi)的光束稱為弧矢光束。在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)圖中，弧矢平面內(nèi)的x軸指向顯示器以里，子午面內(nèi)的y軸垂直向上。

這一定義對(duì)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的系統(tǒng)并不通用。為統(tǒng)一起見，不管軸外物點(diǎn)在哪里，Zemax軟件規(guī)定y，z平面為子午面；計(jì)算子午面數(shù)據(jù)時(shí)沿物空間y向進(jìn)行計(jì)算。弧矢平面于y，z面垂直，二者相交于光軸中心，計(jì)算弧矢平面數(shù)據(jù)時(shí)在物空間沿x軸計(jì)算。該規(guī)定基于如下的理論： 如果系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，沿y軸的軸外點(diǎn)確定系統(tǒng)的成像質(zhì)量。此時(shí)，兩種定義是完全一致的。如果系統(tǒng)不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，則不存在對(duì)稱軸，參考平面的選擇就是任意的。由于激光二極管發(fā)射的激光光束在弧矢和子午兩個(gè)方向上具有不同的發(fā)散角，因此需要讓激光光束通過(guò)一特定光闌，限制激光二極管出射光線，然后經(jīng)過(guò)非球面準(zhǔn)直平凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，從而獲得準(zhǔn)直平行光線。

選用一款波長(zhǎng)為650 nm激光二極管，通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)。要求在L=500 mm，2 m，5 m處激光二極管準(zhǔn)直光線直徑d約為2～3 mm。根據(jù)上述，要獲得一束準(zhǔn)直的平行光線，必須進(jìn)行激光二極管準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，激光二極管準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光二極管準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意

3 關(guān)鍵部件選擇

3.1 激光二極管

激光二極管(LD)具有體積小、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但是，激光二極管的光束質(zhì)量比較差，端面出射光束具有較大的發(fā)散角，并伴有像散，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的分布呈長(zhǎng)條高斯型。為了得到良好的光斑形態(tài)，必須對(duì)激光二極管的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直整形[6]。

以某公司的一款半導(dǎo)體激光二極管為例，其輸出功率為7 mW，波長(zhǎng)為650 nm，閾值電流為20 mA，弧矢方向上峰值半寬發(fā)散角θf(wàn)whm=9°，子午方向上峰值半寬發(fā)散角θf(wàn)whm=28°。激光二極管性能參數(shù)(部分)詳見表1所列。

表1 激光二極管性能參數(shù)(部分)

3.2 非球面透鏡

由于球差的原因，其準(zhǔn)直效果很不理想，發(fā)散角很大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)要求的準(zhǔn)直。而非球面透鏡，就是為了解決球面透鏡的球差帶來(lái)光學(xué)上的缺陷，修正球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來(lái)的球差。通過(guò)調(diào)整透鏡曲面常數(shù)和非球面系數(shù)，讓遠(yuǎn)軸光線和近軸光線所形成的焦點(diǎn)位置盡量重合，從而減少球差的產(chǎn)生，最大限度地消除球差。球差的校正方法主要有： 加光闌、非球面透鏡、復(fù)合透鏡、變折射率透鏡等。本文主要研究用非球面透鏡實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和聚焦。

以該公司生產(chǎn)的一款外徑為6.35 mm，有效焦距為10 mm的平凸非球面透鏡為例。其材質(zhì)為L(zhǎng)-BAL42，數(shù)值孔徑為0.27，凈孔徑為5.45 mm，中心厚度3 mm，詳見表2所列。

表2 非球面平凸透鏡性能參數(shù)(部分)

該非球面平凸透鏡系數(shù)見表3所列。計(jì)算非球面不同鏡面孔徑半徑的鏡面的凹陷度公式如式(1)所示。

表3 非球面平凸透鏡系數(shù)(來(lái)源于某廠家)

(1)

式中：Z—鏡面的凹陷度；r—鏡面的孔徑半徑；c—曲率半徑的倒數(shù)；k—曲面圓錐系數(shù)(其中k=0為球面；k>-1為橢圓面；k=-1為拋物面；k<-1為雙曲面)；A—為r的各階高次非球面系數(shù)。

4 Zemax仿真計(jì)算

Zemax是一款目前市面上被廣泛使用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可采用序列模式進(jìn)行仿真。首先設(shè)置系統(tǒng)孔徑，將孔徑類型設(shè)置為物方空間，即物空間邊緣光線的數(shù)值孔徑，孔徑值設(shè)為0.27，切趾類型設(shè)置為均勻，凈口徑余量為0，勾選無(wú)焦像空間和半口徑快速計(jì)算；然后進(jìn)行波長(zhǎng)設(shè)置，將波長(zhǎng)設(shè)置為0.65 μm，權(quán)重為1。

打開鏡頭數(shù)據(jù)表格，設(shè)置好物面、光闌及像面等位置及尺寸。將所選擇的非球面平凸透鏡的數(shù)據(jù)(表3)輸入到表格中，透鏡前后面均設(shè)置為偶次非曲面。

在仿真計(jì)算中，指均平方根半徑RMS，是一個(gè)重要的半徑參數(shù)，它表示彌散斑各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)參考中心點(diǎn)的坐標(biāo)平方和，再除以點(diǎn)數(shù)量，然后開方的值，該值可以反映一個(gè)典型的彌散斑的大小，定量反映系統(tǒng)實(shí)際的斑點(diǎn)大小，但它不能夠反映全部彌散斑的直徑。全部彌散斑的直徑需要另一個(gè)重要參數(shù)是幾何半徑GEO來(lái)表示[8]。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，不同光闌直徑，出射光斑直徑會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)光闌直徑為2 mm時(shí)，光斑最大半徑為1.726 mm，RMS為0.456 mm，GEO為0.98 mm，艾利斑半徑為0.132 7 mrad，不符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)光闌直徑為1 mm時(shí)，光斑最大半徑為0.558 4 mm，RMS為0.141 mm，GEO為0.163 mm，艾利斑半徑為0.132 7 mrad，符合設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文所述設(shè)計(jì)要求，試制了一套激光二極管準(zhǔn)直器。先將激光二極管焊接到激光二極管驅(qū)動(dòng)板上，上電并調(diào)整激光二極管焦點(diǎn)位置，然后組裝、粘接、封裝、老化。

通過(guò)試制，激光二極管準(zhǔn)直器出射光斑直徑約3 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

將該款激光二極管準(zhǔn)直器應(yīng)用在超低濃度粉塵儀DT800上，獲得了較好的準(zhǔn)直平行光線，在粉塵濃度測(cè)量中獲得較底的零點(diǎn)和較高的粉塵跨度，且光強(qiáng)信號(hào)跳動(dòng)在技術(shù)參數(shù)要求的公差范圍內(nèi)，完全符合技術(shù)條件。

6 結(jié)束語(yǔ)

在粉塵濃度測(cè)量中，一個(gè)高精度的激光二極管準(zhǔn)直器至關(guān)重要。只有高精度的激光二極管準(zhǔn)直器，才能夠獲得穩(wěn)定的符合要求的較小發(fā)散角的平行光，這樣在粉塵測(cè)量中才能獲得具有較低的零點(diǎn)和較小的零點(diǎn)跳動(dòng)以及量程跳動(dòng)，從而得到穩(wěn)定的粉塵濃度測(cè)量值。該激光準(zhǔn)直器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 準(zhǔn)直光線較小的球差，能夠保證較小的發(fā)散角；結(jié)構(gòu)緊湊，裝配難度低，而且具有較高的光透過(guò)率。通過(guò)樣機(jī)實(shí)際測(cè)試，激光二極管準(zhǔn)直光斑與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，但是還存在一定誤差，這也是下一步需要解決的問(wèn)題。