一種用于粉塵濃度測量的激光二極管準(zhǔn)直器設(shè)計

姜勇

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

近幾年來，環(huán)境保護(hù)及污染治理問題在現(xiàn)階段國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中備受關(guān)注，國家相關(guān)部門也出臺了相應(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)，真正營造一個人與自然和諧發(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一定極限會引起爆炸，對人們的生活造成嚴(yán)重的影響和后果。所以，工業(yè)煙氣粉塵濃度的實時監(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，由于激光波長與粉塵直徑比較接近，會發(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)，通過特定公式，可以計算出粉塵濃度。

粉塵儀主要用于測量粉塵濃度，其關(guān)鍵部件激光二極管準(zhǔn)直器對于儀器的精確測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)過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時，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時就產(chǎn)生米氏散射[5]。米氏散射具有以下特點： 散射光強(qiáng)度隨角度分布復(fù)雜，粒子相對于波長的尺寸越大，光強(qiáng)分布越復(fù)雜；當(dāng)粒子尺寸加大時，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)過特定的公式，可以通過米氏散射的散射強(qiáng)度來計算待測區(qū)域粉塵的濃度。為了能夠準(zhǔn)確地測量待測區(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

一束平行光通過一球面透鏡能夠在焦點位置實現(xiàn)會聚，根據(jù)光可逆原理可知，處于焦點位置的光源通過一球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)平行光出射。由于遠(yuǎn)軸光線入射角大，折射強(qiáng)，會在光軸離鏡頭近處形成焦點；而近軸光線入射角小，折射弱，會在光軸離鏡頭遠(yuǎn)處形成焦點。這樣，平行光在光軸上形成的焦點會前后分散，形成一定直徑的模糊像，即球差。球差可以通過非球面透鏡進(jìn)行消除，也可以通過改變球透鏡邊緣的曲率半徑，盡可能地降低球差帶來的影響。

在光學(xué)設(shè)計中，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和光軸所確定的平面，子午面內(nèi)的光束叫子午光束。過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。

這一定義對非旋轉(zhuǎn)對稱的系統(tǒng)并不通用。為統(tǒng)一起見，不管軸外物點在哪里，Zemax軟件規(guī)定y，z平面為子午面；計算子午面數(shù)據(jù)時沿物空間y向進(jìn)行計算?；∈钙矫嬗趛，z面垂直，二者相交于光軸中心，計算弧矢平面數(shù)據(jù)時在物空間沿x軸計算。該規(guī)定基于如下的理論： 如果系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)對稱的，沿y軸的軸外點確定系統(tǒng)的成像質(zhì)量。此時，兩種定義是完全一致的。如果系統(tǒng)不是旋轉(zhuǎn)對稱的，則不存在對稱軸，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方向上具有不同的發(fā)散角，因此需要讓激光光束通過一特定光闌，限制激光二極管出射光線，然后經(jīng)過非球面準(zhǔn)直平凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，從而獲得準(zhǔn)直平行光線。

選用一款波長為650 nm激光二極管，通過硬件驅(qū)動。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，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、壽命長等特點，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)場光斑的分布呈長條高斯型。為了得到良好的光斑形態(tài)，必須對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，波長為650 nm，閾值電流為20 mA，弧矢方向上峰值半寬發(fā)散角θfwhm=9°，子午方向上峰值半寬發(fā)散角θfwhm=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，無法實現(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)中所帶來的球差。通過調(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-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仿真計算

Zemax是一款目前市面上被廣泛使用的光學(xué)設(shè)計軟件，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，勾選無焦像空間和半口徑快速計算；然后進(jìn)行波長設(shè)置，將波長設(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。

在仿真計算中，指均平方根半徑RMS，是一個重要的半徑參數(shù)，它表示彌散斑各個點坐標(biāo)參考中心點的坐標(biāo)平方和，再除以點數(shù)量，然后開方的值，該值可以反映一個典型的彌散斑的大小，定量反映系統(tǒng)實際的斑點大小，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重要參數(shù)是幾何半徑GEO來表示[8]。

經(jīng)過仿真計算，不同光闌直徑，出射光斑直徑會發(fā)生變化。

當(dāng)光闌直徑為2 mm時，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)計要求。當(dāng)光闌直徑為1 mm時，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)計要求。

5 實驗

根據(jù)上文所述設(shè)計要求，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)動板上，上電并調(diào)整激光二極管焦點位置，然后組裝、粘接、封裝、老化。

通過試制，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，在粉塵濃度測量中獲得較底的零點和較高的粉塵跨度，且光強(qiáng)信號跳動在技術(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

在粉塵濃度測量中，一個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，這樣在粉塵測量中才能獲得具有較低的零點和較小的零點跳動以及量程跳動，從而得到穩(wěn)定的粉塵濃度測量值。該激光準(zhǔn)直器具有以下優(yōu)點： 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率。通過樣機(jī)實際測試，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題。